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JP7751781B2 - Ultrasonic non-contact power supply system, non-contact power transmitting device and non-contact power receiving device - Google Patents
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JP7751781B2 - Ultrasonic non-contact power supply system, non-contact power transmitting device and non-contact power receiving device - Google Patents

Ultrasonic non-contact power supply system, non-contact power transmitting device and non-contact power receiving device

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JP7751781B2 JP2021158524A JP2021158524A JP7751781B2 JP 7751781 B2 JP7751781 B2 JP 7751781B2 JP 2021158524 A JP2021158524 A JP 2021158524A JP 2021158524 A JP2021158524 A JP 2021158524A JP 7751781 B2 JP7751781 B2 JP 7751781B2
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特許法第30条第2項適用 刊行物名 2021年電気学会産業応用部門大会講演論文集 発行日 2021年8月18日 発行所 一般社団法人電気学会Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. Publication name: Proceedings of the 2021 Industrial Applications Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan. Publication date: August 18, 2021. Publisher: The Institute of Electrical Engineers of Japan.

特許法第30条第2項適用 刊行物名 信学技報 IEICE Technical Report EE2020-35(2021-01) 発行日 2021年1月18日 発行所 一般社団法人電子情報通信学会Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. Publication name: IEICE Technical Report EE2020-35 (2021-01) Publication date: January 18, 2021 Publisher: Institute of Electronics, Information and Communication Engineers

特許法第30条第2項適用 刊行物名 信学技報 IEICE Technical Report EE2020-11(2020-10) 発行日 2020年9月30日 発行所 一般社団法人電子情報通信学会Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. Publication name: IEICE Technical Report EE2020-11 (2020-10) Publication date: September 30, 2020 Publisher: Institute of Electronics, Information and Communication Engineers

本発明は、超音波を利用して、体内埋め込み型医療機器に対して、非接触にて電力を伝送できる給電システムに関するものである。 The present invention relates to a power supply system that uses ultrasound to transmit power to implantable medical devices without contact.

近年、ペースメーカや人工臓器などヒトの体内に埋め込む医療機器の駆動源であるバッテリへの給電手法として、無接点にて体外から電力を伝送するワイヤレス給電システム(WPT) が注目されている。代表的な医療用WPT方式として、誘導コイル対を利用した電磁誘導方式(磁界共鳴方式)や平行平板(電極プレート)を用いた電解結合方式がある。これらは、比較的大電力(数10ワットクラス)まで給電可能である。
しかしながら、現在主流の電磁誘導方式のWPTでは、電磁誘導電流(渦電流)による皮膚の火傷や目眩、神経や筋肉に影響を及ぼす刺激作用といった健康被害の発生や、体液や血液など塩分濃度に依存した誘電体損失の発生とそれによる体内の局所的温度上昇、電磁ノイズによる生体内電子デバイスに誤動作を誘発などの問題点があり、ヒト体内に埋め込む医療機器への給電には必ずしも適切な手段でないことが明らかとなっている。
In recent years, wireless power transfer (WPT) systems, which transmit power from outside the body without contact, have been attracting attention as a method of powering batteries that power implanted medical devices such as pacemakers and artificial organs. Typical medical WPT methods include the electromagnetic induction method (magnetic field resonance method) using an induction coil pair and the electrostatic coupling method using parallel plates (electrode plates). These methods are capable of supplying relatively large amounts of power (up to several tens of watts).
However, the currently mainstream electromagnetic induction type WPT has problems such as health hazards such as skin burns and dizziness due to electromagnetically induced currents (eddy currents), and irritating effects that affect nerves and muscles, as well as dielectric loss that depends on the salt concentration of body fluids and blood, resulting in localized temperature increases within the body, and electromagnetic noise that can cause malfunctions in electronic devices inside the body, making it clear that it is not necessarily an appropriate means of powering medical devices implanted in the human body.

一方、電磁誘導方式のWPTに対し、発生する磁界・電界暴露による健康への影響がないことや神経や感覚器への刺激が少ないこと、また、臓器の微振動も電力として利用でき生体環境発電に発展可能といった観点から超音波振動を用いたWPTが、医療用として提案されており、人工内耳や体内埋め込み医療機器への給電手段として実用化が期待されている。
しかしながら、体内の骨格など障害物による音波の減衰が問題となり、磁界共鳴方式で適用範囲となる数ワットクラスの給電は実現が困難であり、超音波方式のWPTの実用化の妨げとなっている。
On the other hand, compared to electromagnetic induction WPT, WPT using ultrasonic vibrations has been proposed for medical use because it has no health effects from exposure to the magnetic and electric fields it generates, causes little irritation to nerves and sensory organs, and can be developed into bioenergy generation because even the micro-vibrations of organs can be used to generate electricity.It is expected to be put to practical use as a means of powering cochlear implants and implantable medical devices.
However, attenuation of sound waves due to obstacles such as the skeleton inside the body is an issue, making it difficult to achieve a power supply of several watts, which is the applicable range of the magnetic resonance method, and this is hindering the practical application of ultrasonic WPT.

本発明者の一人は、既に、パワー半導体スイッチを駆使した高周波インバータを用いて、周波数制御と振幅制御を可能とし、周囲環境が大きく変化する水中において、より高効率で高性能な超音波非接触給電システムを提案している(特許文献1を参照)。提案した超音波非接触給電システムは、送電部が共振周波数追従制御手段を備え、この共振周波数追従制御手段は、送電側超音波振動子の導通電流を検出し、電気・音響変換効率を最大に高め、超音波振動子の発生出力を最大限に取り出すべく、電圧と電流が同相となるように高周波インバータの動作周波数を制御する。
体内埋め込み型医療機器のバッテリに対して、提案済みの超音波非接触給電システムを活用して、非接触給電するとした場合には、以下のような問題がある。1つ目の問題は、体内埋め込み型医療機器のバッテリ(体内負荷)および体外の送電部と体内の受電部の間の体組織(インシュレータ)のインピーダンスが高く、体外の送電部の高周波インバータからそのままでは電力が取り出せないといった問題である。2つ目の問題は、送電部と体内の受電部の間の体組織(インシュレータ)の電気的等価回路の回路パラメータの値の導出が困難といった問題である。
One of the present inventors has already proposed an ultrasonic contactless power transfer system that uses a high-frequency inverter that makes full use of power semiconductor switches to enable frequency control and amplitude control, and that is more efficient and performs well underwater in environments where the surrounding environment changes significantly (see Patent Document 1). In the proposed ultrasonic contactless power transfer system, the power transmission unit is equipped with a resonance frequency tracking control means, which detects the conduction current of the ultrasonic transducer on the power transmission side and controls the operating frequency of the high-frequency inverter so that the voltage and current are in phase, in order to maximize the efficiency of electrical-acoustic conversion and maximize the output power generated by the ultrasonic transducer.
When using the proposed ultrasonic contactless power transfer system to transfer power wirelessly to the battery of an implantable medical device, the following problems arise. The first problem is that the impedance of the implantable medical device's battery (internal load) and the body tissue (insulator) between the external power transmitter and the internal power receiver is high, making it impossible to extract power directly from the high-frequency inverter of the external power transmitter. The second problem is the difficulty of deriving the values of the circuit parameters of the electrical equivalent circuit of the body tissue (insulator) between the power transmitter and the internal power receiver.

特開2017-220990号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-220990

上述のとおり、超音波方式のWPTは、電磁誘導方式のWPTの問題点をクリアできる反面、伝送する電力が小さく(数ミリワット)、また、骨や細胞などのよる音波の減衰が受けやすいといった問題があり、埋め込み医療機器のモニタリングなど情報的利用に限定されることが多い。このため、超音波方式のWPTを電力伝送として実用化および普及させるためには、より高出力を伝送しうるための電力変換回路および圧電モジュールの構造(組合せ)が必要である。
超音波方式のWPTにおいて、高出力伝送を実現するためには、バッテリ(体内負荷)および体組織(インシュレータ)の高インピーダンスの影響により、高周波インバータから電力が取り出せないといった問題を解決することが必要である。また、超音波送受信の間の体組織(インシュレータ)の電気的等価回路の回路パラメータの値を決定することが困難といった問題を解決することが必要である。
As mentioned above, while ultrasonic WPT overcomes the problems of electromagnetic induction WPT, it has problems such as a small transmitted power (a few milliwatts) and susceptibility to sound wave attenuation by bones, tissues, etc., and is therefore often limited to information-based applications such as monitoring implanted medical devices. For this reason, in order to commercialize and popularize ultrasonic WPT for power transmission, a power conversion circuit and piezoelectric module structure (combination) that can transmit higher power is required.
To achieve high-power transmission in ultrasonic WPT, it is necessary to solve the problem of not being able to extract power from the high-frequency inverter due to the high impedance of the battery (internal load) and body tissue (insulator).It is also necessary to solve the problem of difficulty in determining the circuit parameter values of the electrical equivalent circuit of the body tissue (insulator) during ultrasonic transmission and reception.

かかる状況に鑑みて、本発明は、体内埋め込み型医療機器のバッテリに対して、より高効率で高出力伝送を図る超音波非接触給電システムを提供することを目的とする。 In light of this situation, the present invention aims to provide an ultrasonic contactless power transfer system that achieves more efficient, high-power transmission to the battery of an implantable medical device.

上記課題を解決すべく、本発明の超音波非接触給電システムは、下記1a~1eを備える非接触送電装置と下記2a~2cを備える非接触受電装置から構成され、非接触送電装置は、送電側超音波振動子と受電側超音波振動子の対間に存在するインシュレータの電気的インピーダンス、送電側超音波振動子のインピーダンス、及び、受電側超音波振動子のインピーダンスの3要素を合せたインピーダンス特性に基づき設定された電気系共振周波数で、送電側超音波振動子が動作し、3要素を合せたインピーダンスに共振回路とインピーダンス整合回路のインピーダンスを加えた交流回路の固有周波数で、高周波インバータが動作することを特徴とする。 To solve the above problem, the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention is composed of a contactless power transmitting device having the following features 1a to 1e and a contactless power receiving device having the following features 2a to 2c. The contactless power transmitting device is characterized in that the transmitting ultrasonic vibrator operates at an electrical system resonant frequency set based on the impedance characteristics combining three elements: the electrical impedance of the insulator located between the pair of transmitting ultrasonic vibrator and receiving ultrasonic vibrator, the impedance of the transmitting ultrasonic vibrator, and the impedance of the receiving ultrasonic vibrator; and the high-frequency inverter operates at the natural frequency of the AC circuit combining the impedance combining the three elements with the impedance of the resonant circuit and impedance matching circuit.

(非接触送電装置)
1a)電圧源から供給された電圧を所定の高周波の交流電圧に変換する高周波インバータ。
1b)高周波インバータの出力に接続された共振回路。
1c)共振回路に接続された圧電体を用いた送電側超音波振動子。
1d)送電側超音波振動子に固有の機械系共振周波数は電気系共振周波数と略同一とし、高周波インバータの動作周波数を電気系共振周波数に追従させる共振周波数追従制御回路、
1e)インピーダンス整合回路。
(Non-contact power transmission device)
1a) A high frequency inverter that converts the voltage supplied from a voltage source into an AC voltage of a predetermined high frequency.
1b) A resonant circuit connected to the output of a high frequency inverter.
1c) A power transmitting ultrasonic transducer using a piezoelectric element connected to a resonant circuit.
1d) A resonance frequency tracking control circuit that makes the mechanical resonance frequency inherent to the power transmitting ultrasonic vibrator substantially the same as the electrical resonance frequency and causes the operating frequency of the high frequency inverter to follow the electrical resonance frequency;
1e) Impedance matching circuits.

(非接触受電装置)
2a)送電側超音波振動子から発信される超音波を受信する圧電体を用いた受電側超音波振動子。
2b)受電側超音波振動子の出力電圧を整流する高周波整流回路。
2c)高周波整流回路に接続されたバッテリ。
(Non-contact power receiving device)
2a) A power-receiving ultrasonic vibrator using a piezoelectric body that receives ultrasonic waves transmitted from a power-transmitting ultrasonic vibrator.
2b) A high-frequency rectifier circuit that rectifies the output voltage of the receiving ultrasonic vibrator.
2c) A battery connected to a high frequency rectifier circuit.

本発明では、伝送電力を向上させるため、体組織のインピーダンス特性を考慮した共振回路を、体外の送電装置に設ける。これにより、圧電正逆効果の高効率変換を阻害する体組織のインピーダンスの影響を軽減し、体外の送電装置が備える高周波インバータを高力率で動作させて、より高振幅で送電側超音波振動子を励振する。体内に埋め込む受電側超音波振動子とバッテリへ直流電流を供給するための高周波整流回路に対して、共振回路が作用し、体組織の影響を軽減してバッテリへの充電電流を補償する。これが、本発明における伝送電力の向上ための1つの技術特徴であり、このために、送電側および受電側の超音波振動子、並びに、送受電超音波振動子の間の体組織(インシュレータ)を電気回路モデリング化したことが本発明の特徴と言える。
また、電気回路において負荷(この場合は、体内埋め込み型医療機器のバッテリ)のインピーダンスが変化するとき、そのインピーダンスが、送電装置の電力供給源のインピーダンスの複素共役となるときに伝送電力が最大となるが、高周波回路の場合には、さらに伝送路のインピーダンス特性も含めて一致させる必要がある。より多くの給電のため高出力伝送を図るべく、体組織のインピーダンスを電気回路にモデル化し、送電側および受電側の超音波振動子(送受電モジュール)の持つ電気的インピーダンスを含めて、送受電モジュールを一括にしてインピーダンスを算定し、その回路と共振するように共振回路を送電側のみに一括して設置して、高周波インバータを高効率かつ低ノイズで動作させることができることがもう1つの技術特徴である。
さらに、インピーダンスが整合していないと目標とする出力が出なくなったり、伝送路に反射波や定在波が生じ波形が乱れたり、感電や電波障害などが起きる場合もあるため、送電装置にインピーダンス整合回路を設けたことも1つの技術特徴である。
In the present invention, to improve transmitted power, a resonant circuit that takes into account the impedance characteristics of body tissue is provided in the external power transmitting device. This reduces the influence of body tissue impedance, which inhibits high-efficiency conversion of the piezoelectric forward and reverse effects, and operates the high-frequency inverter provided in the external power transmitting device at a high power factor, exciting the transmitting ultrasonic transducer with higher amplitude. The resonant circuit acts on the receiving ultrasonic transducer implanted in the body and the high-frequency rectifier circuit that supplies DC current to the battery, reducing the influence of body tissue and compensating for the charging current to the battery. This is one technical feature for improving transmitted power in the present invention, and to achieve this, it can be said that the present invention is characterized by the electrical circuit modeling of the transmitting and receiving ultrasonic transducers, as well as the body tissue (insulators) between the transmitting and receiving ultrasonic transducers.
Furthermore, when the impedance of the load (in this case, the battery of the implantable medical device) changes in an electrical circuit, the transmitted power is maximized when that impedance becomes the complex conjugate of the impedance of the power supply source of the power transmitter, but in the case of a high-frequency circuit, it is necessary to match the impedance characteristics of the transmission path as well. To achieve high-power transmission for greater power supply, the impedance of the body tissue is modeled in the electrical circuit, and the impedance of the power transmitter/receiver modules is calculated as a whole, including the electrical impedance of the ultrasonic transducers (power transmitter/receiver modules) on the transmitter and receiver sides. A resonant circuit is then installed on the transmitter side only to resonate with this circuit, enabling the high-frequency inverter to operate with high efficiency and low noise. This is another technical feature.
Furthermore, if the impedance is not matched, the target output may not be achieved, reflected waves or standing waves may occur in the transmission path, causing waveform distortion, or electric shock or radio interference may occur. Therefore, one of the technical features is the inclusion of an impedance matching circuit in the power transmission device.

本発明の超音波非接触給電システムにおける共振周波数は、インピーダンス特性において、インピーダンスの絶対値が最小値で、かつ、位相角がゼロとなる周波数である。 The resonant frequency in the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention is the frequency at which the absolute value of the impedance is minimum and the phase angle is zero in the impedance characteristics.

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、非接触送電装置における高周波インバータは、電圧形ハーフブリッジインバータで構成され、2つのスイッチのスイッチ・オン時比率が略同じであることが好ましい。
圧電体の励振エネルギーを強めるため、高周波インバータに接続される共振回路を設ける。送受電モジュールや受電側の電気回路全てを一括にしてモデル化し、そのモデル化した電気回路と共振するように共振回路を送電側のみに一括にして設置する。
これにより、低インピーダンスの送電側超音波振動子が電流源動作となり、より高効率に送電側超音波振動子へ高周波電流を入力させる。
In the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention, the high frequency inverter in the contactless power transmitting device is preferably configured as a voltage type half-bridge inverter, and the switch-on time ratios of the two switches are preferably approximately the same.
To strengthen the excitation energy of the piezoelectric element, a resonant circuit is connected to the high-frequency inverter. The power transmission/reception module and all electrical circuits on the power receiving side are modeled together, and the resonant circuit is installed only on the power transmitting side so that it resonates with the modeled electrical circuit.
This allows the low-impedance ultrasonic transducer on the power-transmitting side to operate as a current source, allowing high-frequency current to be input to the ultrasonic transducer on the power-transmitting side with higher efficiency.

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、非接触受電装置は、バッテリの電圧値と指令値とを入力し電圧制御信号を出力する電圧制御器と、その電圧制御信号を非接触送電装置に送信する受電側近距離無線通信手段を備え、非接触送電装置は、送電側近距離無線通信手段と、近距離無線通信で受信した電圧制御信号を指令値に用いて、共振周波数追従制御回路から得るパルス信号をクロック周波数とする高周波インバータの駆動パルスを変調するパルス変調回路を備えることが好ましい。
体内外の近接距離を想定し(10cmもない)、近距離無線通信を介して、体内のバッテリの電圧値と指令値に基づく電圧制御信号を送電装置へ送信する。
In the ultrasonic contactless power supply system of the present invention, the contactless power receiving device preferably includes a voltage controller that inputs a battery voltage value and a command value and outputs a voltage control signal, and a receiving-side short-range wireless communication means that transmits the voltage control signal to the contactless power transmitting device, and the contactless power transmitting device preferably includes a transmitting-side short-range wireless communication means and a pulse modulation circuit that uses the voltage control signal received by short-range wireless communication as a command value to modulate the drive pulse of a high-frequency inverter whose clock frequency is a pulse signal obtained from a resonant frequency tracking control circuit.
Assuming a short distance (less than 10 cm) between the inside and outside of the body, a voltage control signal based on the voltage value of the battery inside the body and the command value is transmitted to the power transmission device via short-range wireless communication.

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、送電側超音波振動子は、ボルト締めランジュバン型振動子(BLT)であり、受電側超音波振動子は、圧電薄膜素子を用いたことが好ましい。体外に設置する送電側には強力な振動エネルギーを発することに適するボルト締めランジュバン振動子(BLT)を設置し,体内には薄型軽量の圧電体(例えば、PZT)を埋め込むといったハイブリッド型の超音波振動子の組み合わせにより、低コストでより強力な超音波振動エネルギーを体内に取り込むことができ、より高出力伝送を図る超音波非接触給電システムを構築することができる。
BLT(Bolt-Clamped Langevin Type Transducer)は、圧電性磁器(PZT)振動子を2個の金属板でサンドイッチ状に挟み込み、それらをボルトで締め付けたものである。PZTは、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)の複合酸化物(セラミックス)であるジルコン酸チタン酸鉛であり、圧力をかけると電気的な分極が生じ、逆に電圧をかけるとそのものが伸縮する。BLTは、ボルトによって予め圧縮応力を付加しているため、非常に大きな応力振幅を得ることができ、強力な超音波振動子として利用できる。
In the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention, it is preferable that the ultrasonic vibrator on the power transmitting side is a bolt-clamped Langevin vibrator (BLT), and the ultrasonic vibrator on the power receiving side uses a piezoelectric thin film element. By combining a hybrid ultrasonic vibrator, such as a bolt-clamped Langevin vibrator (BLT) suitable for emitting powerful vibration energy on the power transmitting side installed outside the body and a thin, lightweight piezoelectric material (e.g., PZT) embedded inside the body, it is possible to introduce more powerful ultrasonic vibration energy into the body at low cost and to construct an ultrasonic contactless power transfer system that achieves higher power transmission.
A BLT (Bolt-Clamped Langevin Type Transducer) is a piezoelectric porcelain (PZT) vibrator sandwiched between two metal plates, which are fastened together with a bolt. PZT is lead zirconate titanate, a composite oxide (ceramic) of zirconium (Zr) and titanium (Ti). When pressure is applied, it becomes electrically polarized, and conversely, when voltage is applied, it expands and contracts. Because a compressive stress is applied in advance by the bolt, the BLT can achieve a very large stress amplitude, making it suitable for use as a powerful ultrasonic vibrator.

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、非接触受電装置における高周波整流回路は、多倍電圧整流回路であることが好ましい。体内の高インピーダンスを考慮して、倍電圧整流回路をはじめとする多倍圧整流回路を受電装置の整流回路に設け、高出力伝送を図る。 In the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention, the high-frequency rectifier circuit in the contactless power receiving device is preferably a voltage multiplier rectifier circuit. Taking into account the high impedance inside the body, a voltage multiplier rectifier circuit, such as a voltage doubler rectifier circuit, is provided in the rectifier circuit of the power receiving device to achieve high-power transmission.

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、インシュレータは、体組織であり、非接触受電装置が体内に埋め込まれた又は体内埋め込み型医療機器に内蔵されたことでもよい。ここで、体組織とは、実際には,骨や皮膚,脂肪などが相当する。
超音波非接触給電システムを体内埋め込み型医療機器に活用することで、体外から給電でき、体内埋め込み型医療機器の電池切れで交換のための手術が不要になり、また交換手術に伴う障害(ペースメーカのリードの再接続不良等)、感染症などのリスクが軽減できる。さらに、外科的体内埋め込み型医療機器のバッテリ等の容量を小さくでき、装置が小型化・軽量化が促進できることで、埋め込み場所の負担軽減、埋め込み場所の選択肢拡大の可能性がある。これにより、生体埋め込み機器の種類や用途の拡大が期待できる。
In the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention, the insulator may be body tissue, and the contactless power receiving device may be implanted in the body or built into an implantable medical device. Here, the body tissue actually corresponds to bone, skin, fat, etc.
By utilizing an ultrasonic contactless power transfer system in implantable medical devices, power can be supplied from outside the body, eliminating the need for surgery to replace dead batteries in implantable medical devices and reducing the risks of surgical replacement (such as poor reconnection of pacemaker leads) and infections. Furthermore, the capacity of batteries in surgically implantable medical devices can be reduced, facilitating the miniaturization and weight reduction of the devices, potentially reducing the burden on the implant site and expanding the options for implantation locations. This is expected to expand the types and uses of implantable devices.

本発明の超音波非接触給電システムにおいて、インシュレータの電気的インピーダンスを含む3要素を合せたインピーダンス特性は、上記の体組織の代わりのファントムを用いた測定値であってもよい。ファントムとしては、例えば、医療用ファントムを用いることができる。 In the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention, the impedance characteristics combining the three elements, including the electrical impedance of the insulator, may be measured using a phantom that represents the above-mentioned body tissue. For example, a medical phantom can be used as the phantom.

本発明の超音波非接触給電システムを構成する非接触受電装置であって、バッテリは、高周波整流回路に接続される第1ポートと、周囲環境のエネルギー源からエネルギーを採取するエナジーハーベストデバイスに接続される第2ポートを有することでもよい。
エナジーハーベストデバイスは、一般的には、太陽光や周囲の照明光、振動、熱などのエネルギーを採取して電力を得る装置であるが、本発明においては、受電装置が体内に埋め込まれることを想定し、体の振動を利用した振動エネルギーを採取して電力を得る装置を指す。MEMS(微小電気機械システム)により振動から電力を取り出す公知の装置を受電装置に設け、受電装置のバッテリの充電が、高周波整流回路に接続される第1ポートから給電されるルートと、振動からエネルギーを採取するエナジーハーベストデバイスに接続される第2ポートから給電されるルートの2つのルートで給電が行える仕組みにする。
In the non-contact power receiving device constituting the ultrasonic non-contact power supply system of the present invention, the battery may have a first port connected to a high-frequency rectifier circuit and a second port connected to an energy harvesting device that harvests energy from an energy source in the surrounding environment.
An energy harvesting device is generally a device that obtains power by harvesting energy from sources such as sunlight, ambient light, vibrations, and heat, but in this invention, it refers to a device that obtains power by harvesting vibrational energy from body vibrations, assuming that the power receiving device is implanted in the body. A known device that extracts power from vibrations using MEMS (microelectromechanical systems) is installed in the power receiving device, and the battery of the power receiving device can be charged via two routes: a route supplied from a first port connected to a high-frequency rectifier circuit, and a route supplied from a second port connected to the energy harvesting device that harvests energy from vibrations.

本発明の超音波非接触給電システムを構成する非接触送電装置における共振回路のインダクタンスとキャパシタンスの作製方法は、以下のステップを備える。
(ステップ1)インシュレータの電気的インピーダンス、送電側超音波振動子のインピーダンス、及び、受電側超音波振動子のインピーダンスの3要素を合せたインピーダンス特性を測定するステップ。
(ステップ2)インピーダンス特性におけるインピーダンスの絶対値の最小値とその位相から、3要素を合せた等価回路のレジスタンスとキャパシタンスの回路パラメータを算出するステップ。
(ステップ3)インピーダンス整合ステップ。
(ステップ4)インピーダンスの最小値の周波数を、共振回路の共振周波数に設定するステップ。
(ステップ5)共振周波数に基づいて、共振回路のQ値を設定するステップ。
(ステップ6)共振周波数とQ値に基づいて、共振回路のインダクタンスとキャパシタンスの値を決定するステップ。
A method for producing inductance and capacitance of a resonant circuit in a contactless power transmitting device constituting an ultrasonic contactless power feeding system of the present invention includes the following steps.
(Step 1) A step of measuring impedance characteristics that combine three elements: the electrical impedance of the insulator, the impedance of the power transmitting ultrasonic vibrator, and the impedance of the power receiving ultrasonic vibrator.
(Step 2) A step of calculating the circuit parameters of the resistance and capacitance of an equivalent circuit combining the three elements from the minimum absolute value of the impedance in the impedance characteristics and its phase.
(Step 3) Impedance matching step.
(Step 4) Setting the frequency at which the impedance is at a minimum to the resonant frequency of the resonant circuit.
(Step 5) Setting the Q value of the resonant circuit based on the resonant frequency.
(Step 6) Determine the inductance and capacitance values of the resonant circuit based on the resonant frequency and Q value.

本発明によれば、体内埋め込み型医療機器のバッテリに対して、より高効率で高出力伝送を図るといった効果がある。送電装置の高周波インバータに接続される共振回路の導入により、送電側の基本波力率が改善できる。 This invention has the effect of achieving more efficient, high-power transmission for batteries in implantable medical devices. By introducing a resonant circuit connected to the high-frequency inverter of the power transmission device, the fundamental power factor on the transmission side can be improved.

超音波非接触給電システムの機能ブロック図(実施例1)Functional block diagram of an ultrasonic non-contact power transfer system (Example 1) 送電装置における共振周波数追従制御回路の機能ブロック図Functional block diagram of a resonant frequency tracking control circuit in a power transmission device 送電装置における共振回路の回路パラメータの設定フロー図Flow diagram for setting circuit parameters of a resonant circuit in a power transmission device 超音波非接触給電システムの回路ブロック図(実施例1)Circuit block diagram of an ultrasonic non-contact power transfer system (Example 1) 3要素のインピーダンスの等価回路図Equivalent circuit diagram of three-element impedance 超音波非接触給電システムの回路図(実施例1)Circuit diagram of ultrasonic contactless power transfer system (Example 1) 3要素のインピーダンスの測定回路図Measurement circuit diagram of three-element impedance 3要素のインピーダンスの測定システム構成図Three-element impedance measurement system configuration diagram インピーダンス特性の測定結果を示すグラフGraph showing the measurement results of impedance characteristics L字型簡易等価回路の説明図Explanation of L-shaped simplified equivalent circuit 共振回路とインピーダンス整合回路を含めた等価回路図Equivalent circuit diagram including resonant circuit and impedance matching circuit 超音波非接触給電システムにおける回路動作のシミュレーション波形Simulation waveforms of circuit operation in an ultrasonic contactless power transfer system 超音波非接触給電システムの機能ブロック図(実施例2)Functional block diagram of an ultrasonic non-contact power transfer system (Example 2) 超音波非接触給電システムの回路ブロック図(実施例2)Circuit block diagram of an ultrasonic non-contact power transfer system (Example 2) 超音波非接触給電システムの機能ブロック図(実施例3)Functional block diagram of an ultrasonic non-contact power transfer system (Embodiment 3) 超音波非接触給電システムの回路ブロック図(実施例3)Circuit block diagram of an ultrasonic non-contact power transfer system (Embodiment 3) 受電装置の機能ブロック図(実施例4)Functional block diagram of a power receiving device (Fourth embodiment)

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 An example of an embodiment of the present invention will be described in detail below, with reference to the drawings. Note that the scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many modifications and variations are possible.

図1は、本発明の超音波非接触給電システムの一実施形態の機能ブロックを示している。
図1に示すように、超音波非接触給電システムでは、送電装置1と受電装置2で構成され、超音波伝送3を用いて非接触で、送電装置1から受電装置2へ超音波伝送を用いて非接触で電力を供給する。送電装置1は、電圧源11から供給された電圧を所定の高周波の交流電圧に変換する高周波インバータ12と、高周波インバータ12の出力に接続された共振回路14と、インピーダンス整合回路15を介して共振回路14に接続された送電側超音波振動子(圧電素子)13と、送電側超音波振動子13の機械系共振周波数に高周波インバータの動作周波数を追従させる共振周波数追従制御回路16から構成される。電圧源11は、直流電圧を供給するものであればよく、交流電圧をAC/DC変換したものでもよい。送電側超音波振動子(圧電素子)13は、強力な超音波振動エネルギーを出力可能なボルト締めランジュバン振動子(BLT)を用いる。共振周波数追従制御回路16は、送電側超音波振動子13に固有の機械系共振周波数は電気系共振周波数と略同一として、電気系共振周波数に追従させ、高周波インバータのスイッチ駆動回路19に対して動作周波数を送る。
一方、受電装置2は、送電側超音波振動子13から発信される超音波を受信する受電側超音波振動子(圧電素子)23と、受電側超音波振動子の出力電圧を整流する高周波整流回路22と、高周波整流回路22の出力に接続された充放電可能なバッテリ21から構成される。
FIG. 1 shows functional blocks of an ultrasonic non-contact power transfer system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1 , the ultrasonic contactless power transfer system includes a power transmitter 1 and a power receiver 2. Power is supplied from the power transmitter 1 to the power receiver 2 in a contactless manner using ultrasonic transmission 3. The power transmitter 1 includes a high-frequency inverter 12 that converts a voltage supplied from a voltage source 11 into a predetermined high-frequency AC voltage, a resonant circuit 14 connected to the output of the high-frequency inverter 12, a power-transmitting ultrasonic transducer (piezoelectric element) 13 connected to the resonant circuit 14 via an impedance matching circuit 15, and a resonant frequency tracking control circuit 16 that adjusts the operating frequency of the high-frequency inverter to the mechanical resonant frequency of the power-transmitting ultrasonic transducer 13. The voltage source 11 may be any type that supplies a DC voltage, or may be one that converts an AC voltage to AC/DC. The power-transmitting ultrasonic transducer (piezoelectric element) 13 is a bolt-clamped Langevin transducer (BLT) capable of outputting powerful ultrasonic vibration energy. The resonance frequency tracking control circuit 16 makes the mechanical resonance frequency inherent to the power transmitting ultrasonic vibrator 13 approximately the same as the electrical resonance frequency, makes it follow the electrical resonance frequency, and sends an operating frequency to the switch drive circuit 19 of the high frequency inverter.
On the other hand, the power receiving device 2 is composed of a power receiving ultrasonic vibrator (piezoelectric element) 23 that receives the ultrasonic waves transmitted from the power transmitting ultrasonic vibrator 13, a high frequency rectifier circuit 22 that rectifies the output voltage of the power receiving ultrasonic vibrator, and a chargeable and dischargeable battery 21 connected to the output of the high frequency rectifier circuit 22.

本発明の特徴としては、送電装置1において、送電側超音波振動子13と受電側超音波振動子23の対間に存在するインシュレータ4の電気的インピーダンス、送電側超音波振動子13のインピーダンス、及び、受電側超音波振動子23のインピーダンスの3要素を合せたインピーダンス特性に基づき設定された電気系共振周波数で、送電側超音波振動子23が動作し、そして、3要素を合せたインピーダンスに共振回路14とインピーダンス整合回路15のインピーダンスを加えた交流回路の固有周波数で、高周波インバータ12が動作する点にある。
インシュレータ4のインピーダンスを電気回路にモデル化し、送電側超音波振動子13と受電側超音波振動子23の持つ電気的インピーダンスを含めて、送受電モジュールを一括にしてインピーダンスを算定し、その回路と共振するように共振回路を送電装置1側のみに一括して設置して、高周波インバータ12を高効率かつ低ノイズで動作させるのである。
A feature of the present invention is that in the power transmission device 1, the power transmission side ultrasonic vibrator 23 operates at an electrical system resonance frequency set based on the impedance characteristics obtained by combining three elements: the electrical impedance of the insulator 4 present between the pair of the power transmission side ultrasonic vibrator 13 and the power receiving side ultrasonic vibrator 23, the impedance of the power transmission side ultrasonic vibrator 13, and the impedance of the power receiving side ultrasonic vibrator 23; and the high frequency inverter 12 operates at the natural frequency of the AC circuit obtained by adding the impedance of the resonance circuit 14 and the impedance matching circuit 15 to the impedance obtained by combining the three elements.
The impedance of the insulator 4 is modeled as an electrical circuit, and the impedance of the power transmitting and receiving modules is calculated as a whole, including the electrical impedance of the power transmitting ultrasonic vibrator 13 and the power receiving ultrasonic vibrator 23. A resonant circuit is then installed on the power transmitting device 1 side only so that it resonates with this circuit, allowing the high frequency inverter 12 to operate with high efficiency and low noise.

ここで、送電装置1における共振周波数追従制御回路16について、図2に示す機能ブロックを参照して説明する。
高周波インバータ12の共振周波数追従制御16は、送電側超音波振動子13の端子電流に応じて、高周波インバータ12のゲート駆動回路19を動作させ、送電側超音波振動子13に固有の機械的な共振振動数に、高周波インバータ12の共振周波数を追従させている。
Here, the resonance frequency tracking control circuit 16 in the power transmitting device 1 will be described with reference to the functional block diagram shown in FIG.
The resonant frequency tracking control 16 of the high-frequency inverter 12 operates the gate drive circuit 19 of the high-frequency inverter 12 in accordance with the terminal current of the power-transmitting-side ultrasonic vibrator 13, and causes the resonant frequency of the high-frequency inverter 12 to follow the mechanical resonant frequency specific to the power-transmitting-side ultrasonic vibrator 13.

具体的には、送電側超音波振動子13に流れる電流をゼロ電流検出器で検出して、検出した端子電流を位相差検出器に入力する。また、電圧制御発振器の出力信号を高周波インバータの出力電圧と看做して、位相差検出器に入力する。位相差検出器では、位相差を演算し、高周波インバータ電圧と送電側圧電素子に流れる電流がある位相(ソフトスイッチングに必要なわずかな電流遅れ位相)を形成するように、後段の制御器で調整して、電圧制御発振器が高周波インバータ12のゲート駆動回路にクロック周波数を出力する。これにより、高周波インバータ12はその最大出力を生成する電気的共振点で動作できると同時に、送電側超音波振動子13の機械共振周波数を反映する端子電圧と端子電流が同相となり、負荷力率が1となり送電側超音波振動子13の機械的出力を最大限に生み出すことができる。すなわち、送電側超音波振動子13の振動速度と、高周波インバータ12により制御される送電側超音波振動子13の端子電圧とを同相に調整し、電気機械エネルギー変換効率を最大化し、定格負荷から無負荷条件まで安定して高周波インバータ12の動作周波数を動作することができる。なお、位相θとリファレンス値θrefとを比較する比較器(コンパレータ)、比例積分器(PI)、リミッターは、高周波インバータ12の出力電圧を調整し送電側超音波振動子13の使用環境に応じて変化する振動子変位の位相を制御するために用いている。また、低域通過フィルタは高調波成分をカットするためのノイズフィルタとして用いている。
なお、共振回路(以下、共振タンクともいう)は、図2に示すように、高周波インバータ12のハイサイドに直列に接続される直列共振回路に限定されるものではなく、並列共振回路であってもよい。
Specifically, the current flowing through the power-transmitting-side ultrasonic transducer 13 is detected by a zero-current detector, and the detected terminal current is input to a phase difference detector. The output signal of the voltage-controlled oscillator is also considered to be the output voltage of the high-frequency inverter and input to the phase difference detector. The phase difference detector calculates the phase difference, and a downstream controller adjusts the high-frequency inverter voltage and the current flowing through the power-transmitting-side piezoelectric element so that they form a certain phase (a slight current delay phase required for soft switching). The voltage-controlled oscillator then outputs a clock frequency to the gate drive circuit of the high-frequency inverter 12. This allows the high-frequency inverter 12 to operate at the electrical resonance point where it generates its maximum output, while simultaneously bringing the terminal voltage and terminal current, which reflect the mechanical resonance frequency of the power-transmitting-side ultrasonic transducer 13, into phase, resulting in a load power factor of 1 and maximizing the mechanical output of the power-transmitting-side ultrasonic transducer 13. That is, the vibration velocity of the power-transmitting-side ultrasonic vibrator 13 and the terminal voltage of the power-transmitting-side ultrasonic vibrator 13 controlled by the high-frequency inverter 12 are adjusted to be in phase, maximizing the electromechanical energy conversion efficiency and enabling stable operation of the operating frequency of the high-frequency inverter 12 from rated load to no-load conditions. Note that a comparator that compares the phase θ with a reference value θ ref , a proportional integrator (PI), and a limiter are used to adjust the output voltage of the high-frequency inverter 12 and control the phase of the vibrator displacement that changes depending on the usage environment of the power-transmitting-side ultrasonic vibrator 13. In addition, a low-pass filter is used as a noise filter to cut harmonic components.
The resonant circuit (hereinafter also referred to as a resonant tank) is not limited to a series resonant circuit connected in series to the high side of the high-frequency inverter 12 as shown in FIG. 2, but may be a parallel resonant circuit.

図3を参照して、送電装置における共振回路のインダクタンスとキャパシタンスの作製方法について説明する。後述するように、体組織(インシュレータ)の電気回路インピーダンスをモデリングし、抵抗およびリアクタンスを理論的に導出した上で、周波数特性試験から伝送電力が最大となる高周波インバータの動作周波数を決定する方法である。
作製方法は、以下のステップ1~6を備える。
(ステップ1)インシュレータ4の電気的インピーダンス、送電側超音波振動子13のインピーダンス、及び、受電側超音波振動子23のインピーダンスの3要素を合せたインピーダンス特性を測定する。
(ステップ2)測定結果として得られたインピーダンス特性におけるインピーダンスの絶対値の最小値とその位相から、3要素を合せた等価回路のレジスタンスとキャパシタンスの回路パラメータを算出する。
(ステップ3)インピーダンス整合回路15を調整して、インシュレータ4と送電側超音波振動子13と受電側超音波振動子23のインピーダンスと整合を図る。
(ステップ4)インピーダンスの最小値の周波数を、共振回路の共振周波数に設定する。
(ステップ5)共振周波数に基づいて、共振回路のQ値を設定する。
(ステップ6)共振周波数とQ値に基づいて、共振回路のインダクタンスとキャパシタンスの値を決定する。
A method for creating the inductance and capacitance of the resonant circuit in the power transmission device will be described with reference to Figure 3. As will be described later, this method involves modeling the electrical circuit impedance of body tissue (insulators), theoretically deriving the resistance and reactance, and then determining the operating frequency of the high-frequency inverter that maximizes the transmitted power through a frequency characteristic test.
The fabrication method includes the following steps 1 to 6.
(Step 1) Measure the impedance characteristics, which are a combination of three elements: the electrical impedance of the insulator 4, the impedance of the power-transmitting-side ultrasonic vibrator 13, and the impedance of the power-receiving-side ultrasonic vibrator 23.
(Step 2) From the minimum absolute value of the impedance and its phase in the impedance characteristics obtained as a result of the measurement, the circuit parameters of the resistance and capacitance of the equivalent circuit combining the three elements are calculated.
(Step 3) The impedance matching circuit 15 is adjusted to match the impedances of the insulator 4, the power transmitting ultrasonic vibrator 13, and the power receiving ultrasonic vibrator 23.
(Step 4) The frequency at which the impedance is at its minimum is set to the resonant frequency of the resonant circuit.
(Step 5) Based on the resonant frequency, the Q value of the resonant circuit is set .
(Step 6) Based on the resonant frequency and the Q value, the values of the inductance and capacitance of the resonant circuit are determined.

ここで、インピーダンス整合回路15には、マッチングトランスやLC回路を採用することができる。上記のステップ1~6については、具体的な回路構成(図4,図6)を示しながら以下に説明を行う。 The impedance matching circuit 15 can be a matching transformer or an LC circuit. Steps 1 to 6 above are explained below using specific circuit configurations (Figures 4 and 6).

本発明の超音波非接触給電システムの回路構成を図4に示す。また、送電側超音波振動子である送電用圧電トランデューサ(PT)と、受電側超音波振動子である受電用圧電トランデューサ(PT)と、それらの間のインシュレータの構造模式図を図5(1)に表す。インシュレータは、人体を模した超音波ファントムを、体組織を模したインシュレータとして利用する。体外に設置する高周波インバータから共振回路を経由して送電用圧電トランデューサ(PT)を励振する。一方、インシュレータから伝わる微小振動エネルギーを受けて体内に埋め込んだ受電側PTから高周波電流が生成された後、高周波整流回路を通じて埋め込み機器のバッテリを充電する。 Figure 4 shows the circuit configuration of the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention. Figure 5 (1) shows a schematic diagram of the structure of the transmitting piezoelectric transducer (PT), which is the transmitting ultrasonic vibrator, the receiving piezoelectric transducer (PT), which is the receiving ultrasonic vibrator, and the insulator between them. The insulator uses an ultrasound phantom that mimics the human body as an insulator that simulates body tissue. The transmitting piezoelectric transducer (PT) is excited via a resonant circuit from a high-frequency inverter installed outside the body. Meanwhile, a high-frequency current is generated in the receiving PT, which is implanted inside the body, upon receiving the minute vibration energy transmitted from the insulator. This current then charges the battery of the implanted device via a high-frequency rectifier circuit.

本発明の超音波非接触給電システムに適用する高周波インバータ及び高周波整流回路の一例を図6に示す。送電側高周波インバータには、電圧形ハーフブリッジインバータを適用し、スイッチ・オン時比率がともに等しく(約50%)で駆動する。これより、低インピーダンスの送電側PTが電流源動作となり、より高効率にPTへの高周波電流の供給を行う。また、送電側PTの前段に設けたインダクタLs、キャパシタCsによる直列共振タンクの効果により送電側PTには低ひずみの共振電流を供給する。一方で、インシュレータおよび受電側PTのもつ高インピーダンス特性を考慮し、受電側には全波倍電圧整流回路(Voltage Doubler)を適用している。 Figure 6 shows an example of a high-frequency inverter and high-frequency rectifier circuit used in the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention. A voltage-type half-bridge inverter is used for the transmitting-side high-frequency inverter, and is driven with equal switch-on ratios (approximately 50%). This allows the low-impedance transmitting-side PT to operate as a current source, more efficiently supplying high-frequency current to the PT. Furthermore, the series resonant tank effect of the inductor Ls and capacitor Cs installed in front of the transmitting-side PT supplies a low-distortion resonant current to the transmitting-side PT. Meanwhile, taking into account the high-impedance characteristics of the insulator and receiving-side PT, a full-wave voltage doubler rectifier circuit (VDC) is used on the receiving side.

超音波非接触給電システムの高効率電力伝送に資する共振タンクにおいて、それらを構成する回路パラメータは、高周波インバータおよび高周波整流回路のスイッチング動作に大きく作用する。ファントムを含めた送受電PTについて、4端子で観測される電圧・電流の実効値および位相情報から生体用ワイヤレス給電モジュールの内部インピーダンスを推定する手法がある。しかしながら、PT対の4端子にて観測される電圧・電流の実効値および位相差に基づくこの推定手法では、機械-機械結合係数の他に介在するインシュレータの音速や減衰、硬さなどの機械的材料特性を加味した回路パラメータを正確に求めることが困難となる。そこで、体細胞の電気系等価回路を新たに導入し、周波数分析器により実測したインピーダンス特性から、PT対とファントムを組み合わせた送受電モジュールの等価回路およびパラメータを決定する。 In resonant tanks, which contribute to high-efficiency power transmission in ultrasonic contactless power transfer systems, the circuit parameters that make them up have a significant effect on the switching operation of the high-frequency inverter and high-frequency rectifier circuit. There is a method for estimating the internal impedance of a biological wireless power transfer module from the effective values and phase information of the voltage and current observed at the four terminals of a power transmitting/receiving PT, including a phantom. However, this estimation method, which is based on the effective values and phase difference of the voltage and current observed at the four terminals of a PT pair, makes it difficult to accurately determine circuit parameters that take into account not only the mechanical-mechanical coupling coefficient but also the mechanical material properties of the intervening insulator, such as the sound speed, attenuation, and hardness. Therefore, we newly introduced an electrical equivalent circuit for the somatic cell, and determined the equivalent circuit and parameters of a power transmitting/receiving module that combines a PT pair and a phantom from the impedance characteristics measured using a frequency analyzer.

次に、ファントムを含めた送受電PTについて、送受信モジュールの電気的等価回路について説明する。
本発明の超音波非接触給電システムにおける送受電モジュールの電気的等価回路を図5(2)に示す。制動容量CdtおよびCdrは、PTの振動部を制動した状態で観測するアドミタンスであり、実システムでは振動に影響されない。ここで、PTのパラメータは、質量l、コンプライアンスCb、機械抵抗r、電気-機械変換係数Aを用いて、下記式1~3で表される。
Next, the electrical equivalent circuit of the transmitting and receiving module for the power transmitting and receiving PT including the phantom will be described.
The electrical equivalent circuit of the power transmitting and receiving module in the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention is shown in Figure 5 (2). The damping capacitances C dt and C dr are admittances observed when the vibrating part of the PT is damped, and are not affected by vibration in an actual system. Here, the PT parameters are expressed by the following equations 1 to 3 using mass l b , compliance C b , mechanical resistance r b , and electromechanical conversion coefficient A.

上記PTのパラメータは、空中、水中など設定環境に依存し変化する。特に、r/AはPTの振動面に存在する物体に応じて変化する。ここで、空中で動作させる場合は振動の障害となる要素がなく短絡状態と想定できるが、水中や人体などの液体中にて使用する場合は相対的に大きな値となり、PTの物性パラメータに大きく左右するため、高精度な数値の導出が困難である。 The above PT parameters vary depending on the environment, such as air or water. In particular, r L /A 2 varies depending on the object present on the vibration plane of the PT. When operating in air, there are no obstacles to vibration and it can be assumed that there is a short circuit. However, when used in liquids such as water or the human body, the value becomes relatively large and is greatly affected by the physical parameters of the PT, making it difficult to derive a highly accurate value.

しかしながら、文献1(Y. Cheng, et.al., "Improving Power Delivery of CPT for
Biomedical Implants by Using Conjugate Impedance Matching", 2019 IEEE
Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS),pp.1-4,
2019.)と文献2(R. Erfani, et.al.,
"Modeling and Experimental Validation of a Capacitive Link for Wireless
Power Transfer to Biomedical Implants," in IEEE Transactions on Circuits
and Systems II: Express Briefs, vol. 65, no. 7, pp. 923-927, July 2018.)によれば、人体組織の電気的等価回路は図5(2)中のファントム(Phantom)部にあるように対称格子形回路で表現できる。各パラメータはそれぞれ、下記式4~7で定義することが可能である。
However, in Reference 1 (Y. Cheng, et.al., "Improving Power Delivery of CPT for
Biomedical Implants by Using Conjugate Impedance Matching", 2019 IEEE
Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS),pp.1-4,
2019.) and Reference 2 (R. Erfani, et.al.,
"Modeling and Experimental Validation of a Capacitive Link for Wireless
Power Transfer to Biomedical Implants," in IEEE Transactions on Circuits
and Systems II: Express Briefs, vol. 65, no. 7, pp. 923-927, July 2018.), the electrical equivalent circuit of human tissue can be expressed as a symmetrical lattice circuit, as shown in the phantom part of Figure 5 (2). Each parameter can be defined by the following equations 4 to 7.

ここで、上記式4~7において、εは真空の誘電率、εrTは組織の誘電率、σは組織の導電率、dは組織の厚さ、AはBLTにおける接触面の面積、L+Lは接触面の直径をそれぞれ表す。このうち、組織の誘電率εrTおよび組織の導電率σは周波数帯域に応じて大きく変動し、とりわけ体内では様々な組織が複雑に入り込んでいることから、これらのパラメータを一意に決定することは困難である。
以上の観点から、図5(2)を以下のようにT形簡易型等価回路へと変形する。まず、T形回路を構成する2つの複素インピーダンスとして、下記式8,9で与えることができる。
In the above equations 4 to 7, ε 0 represents the permittivity of a vacuum, ε rT the permittivity of the tissue, σ T the conductivity of the tissue, d T the thickness of the tissue, A P the area of the contact surface at BLT, and L T +L P the diameter of the contact surface. Of these, the permittivity of the tissue ε rT and the conductivity of the tissue σ T vary greatly depending on the frequency band, and it is particularly difficult to uniquely determine these parameters because various tissues are intertwined in a complex manner within the body.
From the above viewpoint, Fig. 5(2) is transformed into a simplified T-type equivalent circuit as follows: First, the two complex impedances that make up the T-type circuit can be given by the following equations 8 and 9.

これにより、図5(2)のPhantom部は図5(3)にあるT字型等価回路で表現されることとなる。さらに、図5(3)中における直列、並列成分を一括して置換すると、図5(2)は最終的に図5(4)に示すL字型簡易等価回路へと変換することができる。
変換したL字型簡易等価回路は、ステップ1におけるインシュレータの電気的インピーダンス、送電側超音波振動子のインピーダンス、及び、受電側超音波振動子のインピーダンスの3要素を合せたものに該当する。
As a result, the phantom part of Fig. 5(2) can be expressed by the T-shaped equivalent circuit shown in Fig. 5(3). Furthermore, by substituting the series and parallel components in Fig. 5(3) all at once, Fig. 5(2) can be finally converted into the L-shaped simplified equivalent circuit shown in Fig. 5(4).
The converted L-shaped simplified equivalent circuit corresponds to a combination of three elements in step 1: the electrical impedance of the insulator, the impedance of the power transmitting ultrasonic vibrator, and the impedance of the power receiving ultrasonic vibrator.

(インピーダンス特性測定)
上述のL字型簡易等価回路において、端子間2-4を短絡・開放しながら、図5(4)に示す2つの複素インピーダンスを測定し、実際のファントムを含めた送受電モジュールの等価回路を構築する。
送受電モジュールの特性試験のシステム構成を図8に表す。送受電PTにはボルト締めランジュバン振動子(BLT)を使用し、超音波ファントム(WRTMM06,OST社)を挟み込んで超音波送受電モジュールを実現している。周波数特性器(FRA51615,NF回路ブロック)内蔵の発振器出力を高速バイポーラ電源(HSA42011,NF回路ブロック)で増幅して超音波ファントムへ高周波電流を供給しており、シャント抵抗(PA-001-0370,NF回路ブロック)を介して周波数特性分析器で送受電モジュールのインピーダンスを測定する。なお、超音波振動の減衰を抑制しながら、受電側BLTに振動エネルギーを効果的に伝えるため、横向きに設置しており、さらにBLTとファントムの間に超音波ジェルをつけて超音波振動の伝達性を向上している。
(Impedance characteristic measurement)
In the above-mentioned L-shaped simplified equivalent circuit, the two complex impedances shown in Figure 5 (4) are measured while shorting and opening the terminals 2-4, and an equivalent circuit of the power transmitting and receiving module including the actual phantom is constructed.
Figure 8 shows the system configuration for the power transmission/reception module characteristic test. The power transmission/reception PT uses a bolted Langevin transducer (BLT) and an ultrasonic phantom (WRTMM06, OST) sandwiched between them to form the ultrasonic power transmission/reception module. The oscillator output built into the frequency response analyzer (FRA51615, NF circuit block) is amplified by a high-speed bipolar power supply (HSA42011, NF circuit block) to supply high-frequency current to the ultrasonic phantom. The impedance of the power transmission/reception module is measured by a frequency response analyzer via a shunt resistor (PA-001-0370, NF circuit block). The BLT is placed horizontally to effectively transmit vibration energy to the receiving BLT while suppressing ultrasonic vibration attenuation. Furthermore, ultrasonic gel is applied between the BLT and the phantom to improve ultrasonic vibration transmission.

ここで、図8における端子対2-4を短絡・開放した場合の内部インピーダンス特性を図9に示す。図9(1)及び(2)から端子対2-4を短絡・開放したどちらの場合においてもBLTの機械振動周波数40.3kHzよりも低い周波数、すなわち容量性領域である39.3kHzにてインピーダンスが最小となっていることが分かり、インピーダンスが最小となるこの周波数帯にてインバータを駆動させると効率よく動作することがわかる。
また、図9(1)より端子対2-4を短絡した場合におけるインピーダンス絶対値の最小値は230Ωであり、その位相は-24°となり、図9(2)より端子対2-4を開放した場合におけるインピーダンス絶対値の最小値は360Ωであり、その位相は-47°となった。この結果を踏まえて、実際のファントムを含めた送受電モジュールの等価回路を構築する。
Here, the internal impedance characteristics when terminal pair 2-4 in Fig. 8 is shorted and opened are shown in Fig. 9. From Fig. 9 (1) and (2), it can be seen that in both cases where terminal pair 2-4 is shorted and opened, the impedance is minimum at a frequency lower than the BLT mechanical vibration frequency of 40.3 kHz, that is, at 39.3 kHz which is in the capacitive region, and it can be seen that driving the inverter in this frequency band where the impedance is minimum will enable efficient operation.
Furthermore, from Figure 9 (1), when terminal pair 2-4 is shorted, the minimum absolute value of the impedance is 230 Ω and its phase is -24°, and from Figure 9 (2), when terminal pair 2-4 is open, the minimum absolute value of the impedance is 360 Ω and its phase is -47°. Based on these results, an equivalent circuit of the power transmitting and receiving module including an actual phantom is constructed.

図5(4)で示したL字型簡易等価回路は、図10のように抵抗成分R,Rとキャパシタ成分C,Cを用いて表現することができ、2つのインピーダンスは下記式10,11の関係式から、L字型簡易等価回路における回路パラメータはR=210[Ω]、C=43[nF]、R=35[Ω]、C=24[nF]と算出できる。 The L-shaped simplified equivalent circuit shown in Figure 5 (4) can be expressed using resistance components R1 and R2 and capacitance components C1 and C2 as shown in Figure 10, and the circuit parameters for the L-shaped simplified equivalent circuit can be calculated from the relationship between the two impedances in the following equations 10 and 11 as follows: R1 = 210 [Ω], C1 = 43 [nF], R2 = 35 [Ω], C2 = 24 [nF].

(共振タンク設計指針)
上述のL字型簡易等価回路における回路パラメータを用いて、高周波インバータに適用する共振タンクを設計する。図11(1)は図6における直流電圧源VinとスイッチQ、Qを方形波電圧源vabに、超音波送受電モジュール部分を図10に、倍電圧整流回路および負荷抵抗Rを交流等価抵抗Rac=2R/πとして置き換えた簡易等価回路にインピーダンス整合トランス(M.T.)を加えた回路になっている。このM.T.により直列共振タンクL,Cのパラメータを調節することが可能となる。ここで、図11(1)における並列接続されたR,CとRacを直列等価変換したものを新たにR,Cとおくと、図11(1)は図11(2)のように変換できる。
(Resonant Tank Design Guidelines)
Using the circuit parameters in the above-mentioned L-shaped simplified equivalent circuit, a resonant tank to be applied to a high-frequency inverter is designed. Figure 11 (1) is a simplified equivalent circuit in which the DC voltage source Vin and switches Q1 and Q2 in Figure 6 are replaced with a square wave voltage source Vab , the ultrasonic power transmitting and receiving module part is replaced with Figure 10, and the voltage doubler rectifier circuit and load resistance R0 are replaced with an AC equivalent resistance Rac = 2R0 / π2 , to which an impedance matching transformer (MT) is added. This MT makes it possible to adjust the parameters of the series resonant tanks Ls and Cs . Here, if the parallel-connected R2 , C2 and Rac in Figure 11 (1) are newly converted into series equivalents R3 and C3 , Figure 11 (1) can be converted as shown in Figure 11 (2).

次に、図11(2)におけるマッチングトランスの巻き数比aを、a=w/wとしておき、励磁インダクタンスLの値が十分大きいと仮定して、トランス二次側の部分を一次側に換算すると図11(3)のようになる。ここで、図11(3)におけるRmo,Cmoは、図11(2)におけるR,RとC,Cを一括してまとめたものであり、下記式14,15で表される。Rmoは等価負荷交流抵抗であり、Cmoは等価キャパシタンスである。 Next, assuming that the turns ratio a of the matching transformer in Figure 11(2) is a = w1 / w2 and the value of the excitation inductance Lm is sufficiently large, converting the secondary side of the transformer to the primary side results in Figure 11(3). Here, Rmo and Cmo in Figure 11(3) are a combination of R1 , R3 and C1 , C3 in Figure 11(2), and are expressed by the following equations 14 and 15. Rmo is the equivalent load AC resistance, and Cmo is the equivalent capacitance.

さらに、図11(3)におけるインダクタ成分とキャパシタ成分を一括してまとめたものを新たにL,Cとおくと図11(1)は最終的に図11(4)のように簡易化することができる。ここで、L,Cは、下記式16,17で表される。 Furthermore, if the inductor and capacitor components in Fig. 11(3) are collectively defined as L 0 and C 0 , Fig. 11(1) can be finally simplified to Fig. 11(4), where L 0 and C 0 are expressed by the following equations 16 and 17.

回路の共振周波数は、超音波送受電モジュールの内部インピーダンスが最小となるf=39.3kHzに設定され、負荷共振の鋭さQは、下記式19で表される。ここで、ωは共振角周波数である。Q値を与えることにより、共振角周波数にもとづき、LまたはCが決定され、直列共振タンクCおよびLを設計することが可能となり、さらにインピーダンス整合トランスを用いてCおよびLが調節可能となる。ここで、Q値は、受動素子(キャパシタ,インダクタ)やパワー半導体スイッチにかかる電圧および電流ストレスを考慮し、通常、5~10以内に設定するのが好ましい。 The resonant frequency of the circuit is set to f r = 39.3 kHz, at which the internal impedance of the ultrasonic power transmitting and receiving module is minimized, and the sharpness Q of the load resonance is expressed by the following equation 19: where ω r is the resonant angular frequency. By providing the Q value, L 0 or C 0 is determined based on the resonant angular frequency, making it possible to design the series resonant tanks C s and L s , and further making it possible to adjust C s and L s using an impedance matching transformer. Here, the Q value is preferably set within 5 to 10, taking into account the voltage and current stresses on passive elements (capacitors, inductors) and power semiconductor switches.

(回路動作のシミュレーション結果)
上述の回路パラメータを基づいて、共振タンクを組み込み、ハーフブリッジ高周波インバータおよび整流回路により構成した超音波非接触給電システムの回路動作をシミュレーションにより評価した。シミュレーション回路パラメータを下記表2に示す。スイッチング周波数fは主回路の共振周波数である39.3kHzとそれよりも高い周波数帯すなわち誘導性領域である45kHzに設定し、ZVS(ゼロ電圧ソフトスイッチング)動作の有無による各電流振幅および出力Pの変化や設計した共振タンクの有用性について確認した。
(Circuit operation simulation results)
Based on the circuit parameters described above, we simulated and evaluated the circuit operation of an ultrasonic contactless power transfer system incorporating a resonant tank and configured with a half-bridge high-frequency inverter and rectifier circuit. The simulation circuit parameters are shown in Table 2 below. The switching frequency fs was set to 39.3 kHz, the resonant frequency of the main circuit, and 45 kHz, a higher frequency band, i.e., the inductive region, and we confirmed the changes in each current amplitude and output Po with and without ZVS (zero voltage soft switching) operation, as well as the usefulness of the designed resonant tank.

得られたシミュレーション波形を図12に示す(電流波形は100倍にスケーリングしている)。図12(1)のスイッチング波形vQ1,iQ1,vQ2,iQ2では、39.3kHzにおいてパワー半導体スイッチQ,QのZVS動作を達成していることがわかる。また、ブリッジ間電圧電流vab,iabがほぼ同相となり、送電側PTに流れ込む電流iPT1が共振波形になっていることから、送電側PTの前段に設けたインダクタL、キャパシタCによる直列共振タンクの効果により送電側PTに低ひずみの共振電流を供給できていることわかる。さらに、整流前の受電側PT電圧vPT2と出力電圧VR0の波形から倍電圧整流回路の効果により、直流電圧VR0はvPT2のピーク値の2倍を得ている。 The resulting simulation waveforms are shown in Figure 12 (the current waveforms are scaled 100 times). The switching waveforms vQ1 , iQ1 , vQ2 , and iQ2 in Figure 12(1) show that ZVS operation of the power semiconductor switches Q1 and Q2 is achieved at 39.3 kHz. Furthermore, the inter-bridge voltage and current vab and iab are nearly in phase, and the current iPT1 flowing into the transmitting PT has a resonant waveform. This indicates that a low-distortion resonant current can be supplied to the transmitting PT due to the effect of the series resonant tank formed by the inductor Ls and capacitor Cs installed in the upstream stage of the transmitting PT. Furthermore, the waveforms of the receiving PT voltage vPT2 before rectification and the output voltage VRO show that the DC voltage VRO is twice the peak value of vPT2 due to the effect of the voltage doubler rectifier circuit.

一方で、図12(2)のスイッチング波形vQ1,iQ1,vQ2,iQ2より45kHzにおいては、送受電モジュールの共振周波数から大きく逸脱した動作状態となり、QおよびQのターンオフ電流が上昇することから、ターンオフ時の電圧上昇率dv/dtは高くなる。この結果、高周波インバータにはハードスイッチング動作となる。さらに、送電側vabとiabの位相差が広がり、力率が悪化するに加えて、各電流振幅および出力Pも低減されている。 On the other hand, the switching waveforms vQ1 , iQ1 , vQ2 , and iQ2 in Figure 12(2) show that at 45 kHz, the power transmitting/receiving module operates at a frequency significantly different from its resonant frequency. This increases the turn-off current of Q1 and Q2 , resulting in a high voltage rise rate dv/dt at turn-off. As a result, the high-frequency inverter operates in hard switching mode. Furthermore, the phase difference between the transmitting side vab and iab increases, deteriorating the power factor and reducing the amplitude of each current and the output P0 .

以上の結果から、本発明の超音波非接触給電システムにおける送受電モジュールの等価回路とそれに基づく高周波インバータの動作周波数設計の有用性が確認できた。すなわち、2つの送受電PT間に超音波ファントムを挿入し送受電モジュールを実装構築して、周波数特性の分析を実施して、電気回路システムの共振周波数がPT単体の機械共振周波数(40kHz)より低い帯域39.3[kHz]に存在することを証明し、また、そのモジュールの負荷端開放・短絡試験により、インピーダンスを実測し共振回路を構築して、シミュレーションにより、高周波インバータの駆動周波数を39.3[kHz]に設定し、負荷端にて600mWの出力を得ること確認できた。 These results confirm the usefulness of the equivalent circuit of the power transmitting/receiving module in the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention and the operating frequency design of the high-frequency inverter based on it. Specifically, an ultrasonic phantom was inserted between two power transmitting/receiving PTs, and a power transmitting/receiving module was implemented and constructed. Analysis of frequency characteristics was performed, demonstrating that the resonant frequency of the electrical circuit system exists in the 39.3 kHz band, lower than the mechanical resonant frequency (40 kHz) of the PT alone. Furthermore, an open-circuit/short-circuit load test of the module was conducted to measure impedance and construct a resonant circuit. Simulation confirmed that the high-frequency inverter's drive frequency could be set to 39.3 kHz, achieving an output of 600 mW at the load end.

図13は、本発明の超音波非接触給電システムの他の実施形態の機能ブロックを示している。図13に示すシステムでは、実施例1の構成に加えて、受電装置2に、バッテリの電圧値と指令値とを入力し電圧制御信号を出力する電圧制御器26と、その電圧制御信号を送電装置1に送信する近距離無線通信回路27を備える。また、送電装置1は、近距離無線通信回路17と、近距離無線通信で受信した電圧制御信号を用いて、共振周波数追従制御回路16から得るパルス信号をクロック周波数とする高周波インバータ12の駆動パルスを変調するパルス変調回路18を備える。スイッチ駆動回路(ゲート駆動回路)19は、パルス変調回路18からのディジタル信号をアナログ信号へ変換し、パワー半導体スイッチを高速にオンオフして高周波インバータを駆動する。 Figure 13 shows functional blocks of another embodiment of the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention. In addition to the configuration of Example 1, the system shown in Figure 13 includes a voltage controller 26 that inputs the battery voltage value and a command value and outputs a voltage control signal to the power receiving device 2, and a short-range wireless communication circuit 27 that transmits the voltage control signal to the power transmitting device 1. The power transmitting device 1 also includes a short-range wireless communication circuit 17 and a pulse modulation circuit 18 that uses the voltage control signal received via short-range wireless communication to modulate the drive pulse of the high-frequency inverter 12, which uses the pulse signal obtained from the resonance frequency tracking control circuit 16 as its clock frequency. A switch drive circuit (gate drive circuit) 19 converts the digital signal from the pulse modulation circuit 18 into an analog signal and drives the high-frequency inverter by rapidly turning the power semiconductor switch on and off.

図14を参照して、超音波非接触給電システムの送電装置1における受電装置2のバッテリの電圧のフィードバックについて説明する。受電装置2の電圧制御器26は、バッテリ21の電圧値を検知して、指令値(設定値)と比較し、電圧制御信号を出力する。この電圧制御信号は、送電装置1の高周波インバータ12のゲート駆動回路19にフィードバックして、高周波インバータ12のスイッチのスイッチ・オン時比率やオン・オフパターンに使用する。すなわち、共振周波数追従16の出力周波数で高周波インバータ12のゲート駆動パターンが作られるが、そのパターンや、そのスイッチ・オン時比率が、受電装置2のバッテリ21の電圧値に応じた電圧制御信号に応じて変化することになる。
ここで、送電装置1と受電装置2は、非接触であるが、数cm程度しか離れていないものを想定しており、NFC(Near Field Communication)などの近距離無線通信を用いて電圧制御信号の情報を送受信することができる。
Referring to Figure 14, feedback of the voltage of the battery of the power receiving device 2 in the power transmitting device 1 of the ultrasonic contactless power transfer system will be described. The voltage controller 26 of the power receiving device 2 detects the voltage value of the battery 21, compares it with a command value (set value), and outputs a voltage control signal. This voltage control signal is fed back to the gate drive circuit 19 of the high-frequency inverter 12 of the power transmitting device 1 and is used to determine the switch-on ratio and on-off pattern of the switch of the high-frequency inverter 12. In other words, the gate drive pattern of the high-frequency inverter 12 is created by the output frequency of the resonance frequency tracking 16, and this pattern and its switch-on ratio change according to the voltage control signal that corresponds to the voltage value of the battery 21 of the power receiving device 2.
Here, the power transmitting device 1 and the power receiving device 2 are assumed to be non-contact but only a few centimeters apart, and voltage control signal information can be sent and received using short-range wireless communication such as NFC (Near Field Communication).

図15,16は、本発明の超音波非接触給電システムの他の実施形態の機能ブロック図および回路ブロック図を示している。図15,16に示すシステムでは、実施例1と異なり、受電装置2に共振回路24が搭載されている。受電装置2に設けた共振回路24は、送受電PT対での電気-機械変換およびインシュレータによる電力の減衰を抑制し、受電側超音波振動子23での高周波電流を増大するといった効果があり、より効率よく受電装置のバッテリ21に電力を伝送することができる。 Figures 15 and 16 show functional and circuit block diagrams of another embodiment of the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention. Unlike Example 1, the system shown in Figures 15 and 16 includes a resonant circuit 24 mounted in the power receiving device 2. The resonant circuit 24 provided in the power receiving device 2 has the effect of suppressing electromechanical conversion in the power transmitting/receiving PT pair and power attenuation due to the insulator, and increasing the high-frequency current in the power receiving ultrasonic vibrator 23, enabling more efficient transmission of power to the power receiving device's battery 21.

図17は、本発明の超音波非接触給電システムにおける受電装置の他の実施形態の機能ブロック図を示している。図17に示す受電装置2Cでは、体内に埋め込まれることを想定し、体の振動を利用した振動エネルギーを採取するエナジーハーベストデバイス29が内蔵され、バッテリ21が、高周波整流回路22に接続される第1ポートから給電されるラインと、エナジーハーベストデバイス29に接続される第2ポートから給電されるラインが設けられている。エナジーハーベストデバイス29は、圧電体を用いて振動から発電を行い、整流回路28を介して平滑し整流され、バッテリ21に電力を供給する。 Figure 17 shows a functional block diagram of another embodiment of a power receiving device in the ultrasonic contactless power transfer system of the present invention. The power receiving device 2C shown in Figure 17 is designed to be implanted in the body and has a built-in energy harvesting device 29 that harvests vibrational energy using body vibrations. The battery 21 is provided with a line that supplies power from a first port connected to a high-frequency rectifier circuit 22, and a line that supplies power from a second port connected to the energy harvesting device 29. The energy harvesting device 29 generates power from vibrations using a piezoelectric element, which is smoothed and rectified via the rectifier circuit 28 and supplies the power to the battery 21.

本発明の超音波非接触給電システムは、体内埋め込み型医療機器への給電システムとして有用である。 The ultrasonic non-contact power supply system of the present invention is useful as a power supply system for implantable medical devices.

1,1A 送電装置
2,2A,2B,2C 受電装置
3 超音波伝送
4 インシュレータ(体組織)
6 無線信号
11 電圧源
12 高周波インバータ
13 送電側超音波振動子(送電側PT)
14,24 共振回路(共振タンク)
15 インピーダンス整合回路
16 共振周波数追従制御回路
17,27 近距離無線通信回路
18 パルス変調回路
19 スイッチ駆動回路(ゲート駆動回路)
21 バッテリ
22 高周波整流回路
23 受電側超音波振動子(受電側PT)
26 電圧制御回路
28 整流回路
29 エナジーハーベストデバイス
1, 1A Power transmitting device 2, 2A, 2B, 2C Power receiving device 3 Ultrasonic transmission 4 Insulator (body tissue)
6 Wireless signal 11 Voltage source 12 High frequency inverter 13 Power transmission side ultrasonic vibrator (power transmission side PT)
14, 24 Resonant circuit (resonant tank)
15 Impedance matching circuit 16 Resonance frequency tracking control circuit 17, 27 Short-range wireless communication circuit 18 Pulse modulation circuit 19 Switch drive circuit (gate drive circuit)
21 Battery 22 High-frequency rectifier circuit 23 Power-receiving ultrasonic vibrator (power-receiving PT)
26 Voltage control circuit 28 Rectifier circuit 29 Energy harvesting device

Claims (12)

電圧源から供給された電圧を所定の高周波の交流電圧に変換する高周波インバータと、前記高周波インバータの出力に接続された共振回路と、前記共振回路に接続された圧電体を用いた送電側超音波振動子と、前記送電側超音波振動子に固有の機械系共振周波数は電気系共振周波数と略同一とし、前記高周波インバータの動作周波数を該電気系共振周波数に追従させる共振周波数追従制御回路と、インピーダンス整合回路を備えた非接触送電装置と、
前記送電側超音波振動子から発信される超音波を受信する圧電体を用いた受電側超音波振動子と、前記受電側超音波振動子の出力電圧を整流する高周波整流回路と、前記高周波整流回路に接続されたバッテリを備えた非接触受電装置、から構成される非接触給電システムであって、
前記非接触送電装置は、
前記送電側超音波振動子と前記受電側超音波振動子の対間に存在するインシュレータの電気的インピーダンス、前記送電側超音波振動子のインピーダンス、及び、前記受電側超音波振動子のインピーダンスの3要素を合せたインピーダンス特性に基づき設定された前記電気系共振周波数で、前記送電側超音波振動子が動作し、
前記3要素を合せたインピーダンスに前記共振回路と前記インピーダンス整合回路のインピーダンスを加えた交流回路の固有周波数で、前記高周波インバータが動作することを特徴とする超音波非接触給電システム。
a wireless power transmitting device including a high frequency inverter that converts a voltage supplied from a voltage source into a predetermined high frequency AC voltage, a resonance circuit connected to the output of the high frequency inverter, a power transmitting ultrasonic vibrator using a piezoelectric body connected to the resonance circuit, a resonance frequency tracking control circuit that makes the mechanical resonance frequency specific to the power transmitting ultrasonic vibrator substantially the same as the electrical resonance frequency and causes the operating frequency of the high frequency inverter to follow the electrical resonance frequency, and an impedance matching circuit;
A contactless power supply system comprising a power-receiving-side ultrasonic vibrator using a piezoelectric body that receives ultrasonic waves transmitted from the power-transmitting-side ultrasonic vibrator, a high-frequency rectifier circuit that rectifies an output voltage of the power-receiving-side ultrasonic vibrator, and a contactless power receiving device having a battery connected to the high-frequency rectifier circuit,
The non-contact power transmitting device
The power transmitting-side ultrasonic vibrator operates at the electrical system resonance frequency set based on the impedance characteristics combining three elements: the electrical impedance of an insulator present between the pair of the power transmitting-side ultrasonic vibrator and the power receiving-side ultrasonic vibrator, the impedance of the power transmitting-side ultrasonic vibrator, and the impedance of the power receiving-side ultrasonic vibrator;
An ultrasonic contactless power supply system characterized in that the high-frequency inverter operates at the natural frequency of an AC circuit obtained by adding the impedance of the resonant circuit and the impedance matching circuit to the impedance obtained by combining the three elements.
前記共振周波数は、
前記インピーダンス特性において、インピーダンスの絶対値が最小値で、かつ、位相角がゼロとなる周波数であることを特徴とする請求項1に記載の超音波非接触給電システム。
The resonant frequency is
2. The ultrasonic contactless power transfer system according to claim 1, wherein the impedance characteristic is a frequency at which the absolute value of the impedance is a minimum and the phase angle is zero.
前記非接触送電装置における前記高周波インバータは、
電圧形ハーフブリッジインバータで構成され、2つのスイッチのスイッチ・オン時比率が略同じであることを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波非接触給電システム。
The high-frequency inverter in the contactless power transmission device is
3. The ultrasonic contactless power transfer system according to claim 1, wherein the system is configured with a voltage-type half-bridge inverter, and the switch-on time ratios of the two switches are substantially the same.
前記非接触受電装置は、
前記バッテリの電圧値と指令値とを入力し電圧制御信号を出力する電圧制御器と、前記電圧制御信号を送信する受電側近距離無線通信手段を備え、
前記非接触送電装置は、
送電側近距離無線通信手段と、
近距離無線通信で受信した前記電圧制御信号を指令値に用いて、前記共振周波数追従制御回路から得るパルス信号をクロック周波数とする前記高周波インバータの駆動パルスを変調するパルス変調回路を更に備えたことを特徴とする請求項1~3の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
The non-contact power receiving device is
a voltage controller that receives a voltage value of the battery and a command value and outputs a voltage control signal; and a power receiving side short-range wireless communication means that transmits the voltage control signal,
The non-contact power transmitting device
power transmitting side short-range wireless communication means;
The ultrasonic contactless power supply system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a pulse modulation circuit that uses the voltage control signal received by short-range wireless communication as a command value to modulate the drive pulse of the high-frequency inverter, which has a clock frequency as the pulse signal obtained from the resonance frequency tracking control circuit.
前記非接触受電装置において、前記受電側超音波振動子に接続された受電側共振回路を更に備えたことを特徴とする請求項1~4の何れかに記載の超音波非接触給電システム。 The ultrasonic contactless power transfer system of any one of claims 1 to 4, characterized in that the contactless power receiving device further comprises a receiving-side resonant circuit connected to the receiving-side ultrasonic vibrator. 前記非接触受電装置における前記高周波整流回路は、多倍電圧整流回路であることを特徴とする請求項1~5の何れかに記載の超音波非接触給電システム。 The ultrasonic contactless power transfer system described in any one of claims 1 to 5, characterized in that the high-frequency rectifier circuit in the contactless power receiving device is a multi-voltage rectifier circuit. 前記送電側超音波振動子は、ボルト締めランジュバン型振動子(BLT)であり、
前記受電側超音波振動子は、圧電薄膜素子を用いたことを特徴とする請求項1~6の何れかに記載の超音波非接触給電システム。
the power-transmitting-side ultrasonic transducer is a bolt-clamped Langevin transducer (BLT),
7. The ultrasonic non-contact power transfer system according to claim 1, wherein the power receiving ultrasonic vibrator uses a piezoelectric thin film element.
前記インシュレータは、体組織であり、前記非接触受電装置が体内に埋め込まれた又は体内埋め込み型医療機器に内蔵されたことを特徴とする請求項1~7の何れかに記載の超音波非接触給電システム。 The ultrasonic contactless power transfer system described in any one of claims 1 to 7, characterized in that the insulator is body tissue, and the contactless power receiving device is implanted in the body or built into an implantable medical device. 前記インシュレータの電気的インピーダンスを含む3要素を合せたインピーダンス特性は、前記体組織の代わりのファントムを用いた測定値であることを特徴とする請求項8に記載の超音波非接触給電システム。 The ultrasonic contactless power transfer system described in claim 8, characterized in that the impedance characteristics combining three elements including the electrical impedance of the insulator are measured using a phantom representing the body tissue. 請求項1~9の何れかの超音波非接触給電システムを構成する前記非接触送電装置。 The non-contact power transmission device constituting the ultrasonic non-contact power supply system of any one of claims 1 to 9. 請求項1~9の何れかの超音波非接触給電システムを構成する前記非接触受電装置であって、
前記バッテリは、
前記高周波整流回路に接続される第1ポートと、
周囲環境のエネルギー源からエネルギーを採取するエナジーハーベストデバイスに接続される第2ポート、を有することを特徴とする前記非接触受電装置。
The non-contact power receiving device constituting the ultrasonic non-contact power supply system according to any one of claims 1 to 9,
The battery
a first port connected to the high frequency rectifier circuit;
The contactless power receiving device further comprises a second port connected to an energy harvesting device that harvests energy from an energy source in the surrounding environment.
請求項1~9の何れかの超音波非接触給電システムを構成する前記非接触送電装置における前記共振回路のインダクタンスとキャパシタンスの作製方法であって、以下のステップを備えることを特徴とする非接触送電装置の作製方法:
1)前記インシュレータの電気的インピーダンス、前記送電側超音波振動子のインピーダンス、及び、前記受電側超音波振動子のインピーダンスの3要素を合せたインピーダンス特性を測定するステップ、
2)前記インピーダンス特性におけるインピーダンスの絶対値の最小値とその位相から、前記3要素を合せた等価回路のレジスタンスとキャパシタンスの回路パラメータを算出するステップ、
3)インピーダンス整合ステップ、
4)前記インピーダンスの最小値の周波数を、前記共振回路の共振周波数に設定するステップ、
5)共振周波数に基づいて、前記共振回路のQ値を設定するステップ、
6)共振周波数とQ値に基づいて、前記共振回路のインダクタンスとキャパシタンスの値を決定するステップ。
A method for producing the inductance and capacitance of the resonant circuit in the contactless power transmission device constituting the ultrasonic contactless power transfer system according to any one of claims 1 to 9, comprising the following steps:
1) measuring impedance characteristics that combine three elements: the electrical impedance of the insulator, the impedance of the power-transmitting-side ultrasonic vibrator, and the impedance of the power-receiving-side ultrasonic vibrator;
2) calculating circuit parameters of resistance and capacitance of an equivalent circuit combining the three elements from the minimum absolute value of the impedance in the impedance characteristics and its phase;
3) Impedance matching step;
4) setting the frequency at which the impedance is at a minimum to the resonant frequency of the resonant circuit;
5) setting the Q value of the resonant circuit based on the resonant frequency;
6) determining the inductance and capacitance values of the resonant circuit based on the resonant frequency and Q value;
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