JPS625358A - 広帯域誘導型皮膚貫通電力およびデ−タリンク - Google Patents

広帯域誘導型皮膚貫通電力およびデ−タリンク

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JPS625358A
JPS625358A JP61076406A JP7640686A JPS625358A JP S625358 A JPS625358 A JP S625358A JP 61076406 A JP61076406 A JP 61076406A JP 7640686 A JP7640686 A JP 7640686A JP S625358 A JPS625358 A JP S625358A
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JP
Japan
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coil
coils
link
gain
coupling
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Application number
JP61076406A
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English (en)
Inventor
ダグラス　セシル　ガルブレイス
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Leland Stanford Junior University
Original Assignee
Leland Stanford Junior University
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Publication date
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/372—Arrangements in connection with the implantation of stimulators
    • A61N1/37211—Means for communicating with stimulators
    • A61N1/37217—Means for communicating with stimulators characterised by the communication link, e.g. acoustic or tactile
    • A61N1/37223—Circuits for electromagnetic coupling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S128/00—Surgery
    • Y10S128/903—Radio telemetry

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  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は医隙エレクトロニクスの分野に関し、更に詳細
には皮膚を破ることな−く皮膚を通しで電力およびデー
タを運ぶ方法および装置に関する。。
〔従来の技術〕
人間の皮膚の下に電子装置を埋込んで使用することが多
くなってくるとともに、皮膚を傷つけることなく埋込ま
れた装置に電力および／またはデータを運ぶことが可能
であることの要望が高くなってきた。従来行われていた
典型的な解決方法は皮膚を通過するプラグを使用するこ
とであった。
このプラグは電力を与えることはできるが、刺激装置ま
で到達するように皮膚を破る必要があった。
皮膚を破ることは、進入感染経過を潜在的辷与えること
になり、埋設片だけでなく個体の安全までも脅やかすこ
とになる。別の解決方法は電池を埋設することである。
不幸にも種々の埋込まれる装置は、頻繁な再埋込を行う
ことなく電池が供給することができる以上のアンペア時
を必要とする。
誘導リンクを使用すれば、皮膚をそのままにしておくこ
とができ、外部の電源から電力を引き出すことができる
ので、上述した問題点を有さない。
医療への応用においては、誘導リンクは通常２つのパン
ケーキ型のコイルから構成されており、一方のコイルは
体内にあり、他方のコイルは体外にある。これらのコイ
ルは変成器を構成しており、この変成器を通してエネル
ギーを送ることができる。誘導リンクはすでに電力およ
び情報を埋込まれた刺激装置に与えるのに使用されてい
る。これに関する複数の例が、′口ｅｓｉｇｎ　ａｎｄ
　Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ　　ａｎ　　Ｉｍｐｌａ
ｎｔａｂｌｅ　　Ｍｕｌｔｉ　−ｃｈａｎｎｅｌ　Ｎｅ
ｕｒａｌＳｔｉｍｕｌａｔｏｒ　（埋込可能な多重チャ
ンネル神経刺激装置の設計および製造）”と題される１
９８０年６月のＭ、　５ｏｎＩａの博士論文、”ＡＣＭ
Ｏ３Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ　Ａｕｄｉｔｏｒｙ　　Ｐ
ｒｏｓｔｈｅｓｉｓ　　ＩＪｓｉｎｇＩｎｔｅｇｒａｔ
ｅｄ　　Ｃ１ｒｃｕｉｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（集
積回路技術を使用するＣｕＯ２の埋込可能な聴覚代行機
器）″と題される１９７６年の３月のスタンフォード大
学のＴ　、Ｇｈｅｅｗａｌａの博士論文、および”　Ｓ
ｙｓｔｅｍＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　　ｆｏｒ　　Ｉ
ｍｐｒｏｖｅｄ　　Ａｃｃｕｒａｃｙ　　１ｎＴｒａｎ
ｓｃｕｔａｎｅｏｕｓ　　Ｓｉｇｎａｌ　　ａｎｄ　　
Ｐｏ１１ｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ（皮膚を介し
て信号および電力を改良された精度で伝達するためのシ
ステムの最適化）”と題されるＥ、　　Ｓ、　　Ｈｏｃ
ｈｍａｉｒのＩ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏ
ｎｓｏｎ　　Ｂｉｏｎ＋ｅｄｉｃａｌ　　Ｅｎｇｉｎｅ
ｅｒｉｎｇ　＋　Ｖｏｌ　、　ＢＭＩコー３１、魔２．
ｐｐ、１７？−ＩＦＩ６．１９８４年２月における８余
文において見られる。
〔発明に解決しようとする問題点〕
しかしながら、これら従来の試みにおいて考えられた誘
導リンクは一組の困難性を有している。
過去において、これらのリンクは効率、帯域幅および位
置整合に対して敏感でないということに関する問題を有
している。
本発明の目的は新規な改良された誘導リンクを提供する
ことにある。
本発明の他の目的はコイル間の相対的な動きによって起
るコイル間の種々の結合（カップリング）に対してゲイ
ンが比較的に敏感に変化しないリンクを提供することに
ある。
本発明の更に他の目的は比較的広い帯域幅を有する誘導
リンクを提供することにある。
このような結合システムを設計する際に考慮されるべき
大きな問題の一つは効率である。埋設された人の自由度
が電力送出源の携帯性の度合によって制限されるので効
率が一つの問題となるのである。皮膚を通してのリンク
が効率的でないと、小さな電力を必要とする埋設物でさ
え、大きな電力を送出器に要求する。システムが極端に
大きな電力を必要とする場合、−１１１人が大きな電池
バックを運ぶ必要がある。例えば、上記の博士論文にお
いて記述されたシステムは８時間毎に再充電を必要とす
るレンガ１個分ぐらいの大きさの電池パックを必要とし
た。
従って、本発明の目的は簡単に身に付け、毎日の活動に
おいて使用するのに十分に小さくかく効率のよいシステ
ムを提供することにある。
誘導リンクは、コイル同士の位置不整合を補償するため
の意図が達成されていないので、効率的ではなかった。
コイルは第１図に示されるように互いに相対的に移動す
ることができる。コイルが動くと、このコイルのゲイン
（電圧ゲイン、電流ゲイン、相互コンダクタンスゲイン
、あるいは相互インピーダンスゲインであり＼入力およ
び出力回路に依存している）は変化するが、これはニイ
ルの結合（カップリング）がコイル同士の相対的な位置
に依存するためである。多くのものが安定した内部電力
の供給を要求し、受信コイルの出力を調整する必要があ
る。
ゲインの変動が大きすぎる場合は、受は俄られた電力の
大部分が刺激装置には使用されず、受信コイルに結合し
た電圧レギュレータで浪費される。
この問題を解決するために最も一般的に用いられている
方法は、幾何学的解決方法と呼ばれており、結合の変動
を減少するのと引き替えに結合強度を犠牲にしており、
埋込まれたコイルよりも大きい外部コイルを使用してい
る。この小さなコイルがより大きいコイルの周辺内に存
在する限りは、両コイルはほぼ同じ数の磁束を共有する
ので、カップリングはほぼ一定に保たれる。コイルが横
に動いても更に幾分か傾むいてもコイルのゲインに及ぼ
す影響は小さい。この解決方法は上記参照文献の一つ以
上において採用されている。
不幸にも、効率的でないことに加えて、幾何学的解決方
法はコイルの間隔の変化に対して依然として敏感である
。小さな間隔（場の近く）に対して、結合（カップリン
グ）は間隔に比例して低下する。コイルの間隔が２倍に
なると、ゲインは半分になる。この解決方法は、従って
、リンクのゲインをコイルの位置に対して部分的にしか
不゛感にしていない。
第２に、ゲインを部分的に制御するのに代えて、幾何学
的解決方法は結合の強度を犠牲にし、第１コイルのロス
を大きくする。これらのコイルは２つの等しい大きさの
コイルの場合よりも少ない磁束を共通するので、これら
コイルの典型的な結合係数は大きさが等しい場合よりも
小さい。事実、これらコイルの結合は、共有面積が横方
向位置不整合許容長の２乗、即ち共有面積−π（より大
きな半径の整合許容長）２で減少するのでより小さい。
より小さな結合は、受入コイルから同じ出力を与えるた
めには第１のコイルにより高い電流を必要するが、より
高い電流は送出コイルにおいてｉ２Ｒに従ってより大ぎ
な電力を浪費する。
初期のリンクはまた別の問題、即ち満足する帯域幅が得
られないという問題を有していた。これら初期のリンク
は通常搬送部波数に対して単一同調され（送出器コイル
のみ）または２重に同調され（両方のコイル）、リンク
は半受動ＲＦ送出器（例えばクラスＣ）によって駆動さ
れてより高い効率を得ることができる。半受動送出器は
、高効率作動のために高Ｑ値同調回路を必要とする。不
幸にも、Ｑ値がより高いと、帯＠幅はより小さい。
上記のスタンフォードの刺激装置は分離した超音波デー
タリンクを使用して広帯域データ通路を得ている。しか
しながら、このリンクでは誘導型リンクよりも整合のた
めの許容度がより小さく、音響インピーダンスの不一致
のために使用における信頼性がない。明らかに、効率的
な広帯域電力およびデータリンクはいくつかの困却な問
題を解決しなければならない。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明において記述される新たな解決方法は、一対のコ
イルを使用する。一方は皮膚の下にあり、他方は皮膚の
外にあって、客々コンデンサに接続されている。このコ
ンデンサとコイルのインピーダンスの値はスタガ同調さ
れたリンクを与えるように選ばれる。即ち、部品の値は
一方のフィルタの極が動作周波数より上に位置し、他方
のフィルタの極がリンクの動作周波数より下に位置する
ように選ばれる。これら極は結合係数が変化すると移動
し、結合に対してリンクを不感にし、コイルの位置がど
のように一致しなくても出力には影響しないようにする
ことができる。
本発明はスタガ同調のありふれた使用あるいはいかなる
従来の解決方法とは異なる複数の解決方法を含む。コイ
ルが移動した時に、結合係数が変化し、出力に対する入
力の比が変化することが問題である。本発明はスタガ同
調を、スタガ同調されたフィルタにおいて通常なされる
ような帯域幅の拡大ではなく、結合係数にリンクが影響
しないように用いられる。
第２に、ゲインが２つの部品の相互作用を考慮した解決
方法によって安定化される。典型的には、ゲインは相互
作用から部品を隔離することによって安定化される。
従来の技術の解決方法からさらに発頭して、安全に能動
的な駆動装置あるいはＤ増幅器が、矩形信号を有するリ
ンクを効率的に駆動するのに使用すると好ましい。こめ
信号は変関することができ、データ情報が皮膚の下に埋
み込まれた受入器に運ばれる。
本発明の他の利益は以下の詳細な記述と添付図面とから
明らかになるであろう。
〔実　施　例〕
第２図の「電圧駆動：電圧出力１リンクはゲイン制御に
対する本発明の解決方法を説明する。同調されていない
あるいは一方のみが同調されている２つのコイルのステ
ムの電圧ゲインは結合係数に対して線型に変化する（ｆ
ｉ荷低抵抗コイル抵抗に比較して大きいと仮定した場合
）、それで結合が３倍に増加すると、電圧ゲインは３倍
になる。
この不正確なゲイン制御は一般には受は入れられること
ができないが、これは、電圧調整において受は入れらた
電力の大部分通常浪費されてしまうからである。
第２Ａ図は誘導性リンク（１−１およびＬｒ）、同調素
子（（、〕ｒ−１／σ　および Ｃ）　ｔ　−１／　Ｗ’　）　、送出器損失および受入
器負荷素子（ＲｔおよびＲ，）および送出器電源および
受入器電圧の送出器および受入器の各素子の概略図であ
る。この回路は２つの異なる周波数、即ち一方は動作周
波数より上であり、他方はこの動作周波より下である。
周波数に対してコイルを同調することによってカンプリ
ングに依存するゲイン変動が減少する。これらコイルが
共鳴するのに最適になるように設置される場合、これら
の効果を生じる極は、コイルの相互結合が変化すると移
動し、ゲインは結果として補償される。
「電圧駆動：電圧出力］リンクはゲイン制御に対する新
たな解決方法を説明するのに助けになる。
第３図は周波数に対する電力ゲインのプロットであり、
２０　ＭＨｚで動作するように設計されたリンクに対す
るカップリングを示している。曲線上の数は結合係数の
値を表わしている。２はに＝０．２を意味し、３はｋ　
−０，３を意味するという様に。
リンクはスタガ同調されている。即ち、部品の値が図示
されるように選択されると、一方の極が動作用波数（２
０ＭＩＩＺ　）以上に位置し、他方の極が動作周波数以
下に位置されるようになる。これら極は結合係数が変化
すると移動する。これら極が正しく設置されると、これ
ら極の位置は移動して結合の変化を補償する。説明のた
めに、第３図においてカップリングが増大すると、極が
動作周波数から離れる。増大した結合はゲインを２０　
ＭＨｚで通常上昇するが、このより高い結合は極を２０
ＭＨ２の動作周波数から離れさす。従って、動作周波数
におけるゲインが低くなる。例えば、結合係数が２５０
％変化するにして°も、ゲインの変化は±１０％以下で
あるという本当の結果がある。
この解決方法は結合に基づき、幾何学に基づかないから
、従来技術である幾何学的解決方法と同様に横方向移動
および傾きに対して修正されるばかりでなく、幾何学的
解決がなし得えなかったコイル分離を行うことができる
。
動作周波数（２０ＭＨｚ）の回りでゲインは円滑に変化
し、比較的大きな周波数帯域にわたって安定なゲインが
得られることをさらに知るべきである。古典的には、ス
タガ同調は同調された回路が過度に負荷を受けることな
くシステムの帯域幅を増大するのに使用される。第３図
の例に示されるように、ゲイン制御のための新たな解決
が魅力的な特徴である広帯域にわたって実施された。多
くの応用に対して、付加的な帯域幅は設計を単純化する
ことができる。例えば、「８チヤンネル埋込可能な神経
刺激装置」と題された（代理人整理番号Ａ　−４１１３
３３）のガルプレスらの出願において議論されたように
、搬送波で電力を送り、この搬送波を周波数変調（ＦＭ
）することによりデータを送ることによって、電力およ
びデータリンクが一つの誘導性リンクに統合される。
この例は結合（カップリング）に影響しない巻線リンク
ゲインを明瞭に示している。この特徴によって、埋込刺
激装置の内部＠庄しギュレータにおける電力ロスが安定
なゲインを利用することによって減少される。等しい大
きさのコイルを使用することによって、幾何学的解決に
よる大きさが一致しないコイルを使用しないと、平均し
て結合が改良され、送出器のコイルのロスＩ’Ｒが少な
くなる。結合補償されたリンクは効率を改良するばかり
でなく、以前の解決法で効率のために犠牲にされた広帯
域幅をも提供する。
スタガ同調されたリンクの安定したゲインによって得ら
れる効率を利用するためには、可変負荷インピーダンス
を効率的に扱うことができ、駆動電丁あるいは電流を一
定に維持できる送出器をリンクは必要とするラフラスＣ
あるいはクラスＥのような半受動駆動装置（よ実用的で
ないが、これは、負荷インピーダンスが動作周波数で共
鳴せず、スタガ同調とは基本的に適合しない場合駆動装
置の効率が低下するためである。クラスＤ送出器は、一
方でこれらの負荷を効率的に駆動でき、一定して駆動源
を供給することができ、リンク出力電圧あるいは電流が
安定になるようにされる。
クラスＤ送出器は、他方でこれらの負荷を効率的に駆動
できる。これは、この送出器が負荷に独立して一定な電
源を供給できるためである。クラスＤ送出器は電源の２
つの端子の間のリンクの入力を単純に切り換える。反動
的な負荷および負荷変動は、結合が変化するため発生す
るが、出力レベルに影響を及ぼすべきではない。
この駆動装置の理論的最大効率は１００％であるが、こ
のことはこの駆動装置の効率は半量適化理論の限界によ
っ°ζは制限されないという如何なる設計においても得
られる利益を意味している。
駆動装置のロスは供給電圧に対する駆動装置のスイッチ
を介して低下する電圧の比に比例する。この比を十分小
さくすることは極めて簡単であり、実際出力電力レベル
が上昇するとより効率的になるように設計しやすくなる
。事実、電力が最も必要とされ、送出器が最大の電力を
与える時に効率が改善する。クラスＤ駆動装置は、従っ
て、スタガ同調されたリンクを駆動するための要求を満
たし、この駆動装置は安定電源で可変負荷を効率的に駆
動することができる。
クラスＤ駆動装置は矩形波出力に基づく他の利益を有す
る。矩形波のフーリエ級数は基本サイン波を有している
。このサイン波の振幅は矩形波の振幅の４／π倍である
。スタガ同調されたリンクはこの基本波を通過し、高周
波を減衰するが、これはクラスＤ駆動装置が更に２７％
ゲインを増大するという別の利点を与えるということを
意味している。他に考えられる設計においては、この更
にｉ）られるゲインを別の利点に取って代えることがで
きる。例えば、第４図は上述した２　０　ＭＨｚリンク
に対する結合に対する理論的および実験的ゲインを示し
ている。理論ゲインに修正因子０．７４５を乗じると実
験結果と一致する。理論と実際との間にある差異はコイ
ルを自己共鳴周波数の近くで動作したことから来ている
。送出器のコイルの寄許容量は同調容量として動作し、
送出器とトンダクタとの間に電圧ディバイタを形成する
。この寄生容量は同調回路に到達する電圧の量を下げる
。
この例において、更に得られた矩形波ゲイン（２７％）
は自己共鳴で失われたゲインを補うために使用された。
上述したコイルを使用できる典型的なりラスＤ駆動装置
が第５図に示される。
ここで、ゲイン制御の裏にある概念およびその駆動に必
要なものが説明され、複数の例が示される。設計手法を
、変更例を含んで議論することは適当なことである。
以下の手法がスタガ同調された電力およびデータリンク
、即ち「電圧駆動：電圧出力１リンクを作り出すのに使
用された。この手法の目的は、１）負荷および結合を変
化することによる出力電圧の変動をある周波数帯にわた
って最小化すること、 ２）合理的に高い入力インピーダンスを保ち、送出器が
１度に大きい駆動電流を供給する必要をなくすこと、 ３）入力インピーダンスを誘導的にしクラスＤ電圧駆動
装置がきれいに切り換わるようにすること、および ４）最小必要電圧ゲインを越えることである。
この手法はある設計が実施できるか否かをまず決定する
。実施できる場合は、次に逐次的方法を使用して設計の
目標に合わされる。
上記手法はリンクのタイプ、結合範囲、負荷範囲、およ
び動作周波数を特定することから始まる。
これらの選択は大きさの制限、ＦＣＣレギュレーション
あるいは電圧からの要請によって制限される。以下の式
はリンクの組合せの全てに使用する近位であり、最小お
よび最大結合係数（にユ。およびドア、）の比によって
最大ゲイン（Ｇ）に対する最小ゲインの強度の比を与え
ている。なお、Ｑ４に、、４Ｋｃ、４および０ＩＧＺ１
である。
１”ｍｌ　　＝　ｚＪ”ｌΣ； Ｇ−−□ ｌ　”ｗａｗＩ　　　　１　＋Ｋｌｕｙ／Ｋｉｎｎ結合
範囲（Ｋ１％＋ｎおよびＫＪＥＴ）は通常実験的に見い
出される。ゲイン変動が大きすぎると（Ｇが小さすぎる
と）、その時結合範囲が減少することが必要となる（好
ましくは、送出器電流を減少することによって送出器コ
イルのロスを下げる付加的な利益を有する結合の最小値
を上げることによって、またリンクの出力インピーダン
スを下げることによってゲインの負荷不感応性を改良す
ることによって）。一つの可能な解はより大きな径のコ
イルを使用することである。より大きな径だと、位置整
合の許容量が一定に保たれる限り結合範囲が減少される
。別の解は一方または両方のコイルにフェライトのパフ
キング（裏打ち）を使用することである。このフェライ
トはコイルの回りの磁場を圧縮し、コイルの相互結合を
上昇する。
ゲインはまだ幾分か結合に依存しているので、最小およ
び最大のゲインの値を発生する結合の値を見つけ出す必
要がある。最小のゲインは、設計によって最小および最
大の結合値（’１ｌＩｎおよび１つ、）に発生される。
最大のゲインは式Ｋ　ＯＰＩ”　Ｋ　ＩＩＩ＋ｎ　Ｋ　
ｎａｇによって与えられる結合の最適値に発生する。
これ以後、この手法は逐次的な傾向を有する。
次に、２つのコイルの各最小インダクタンスが選ばれる
。受入器コイルのインダクタンスは、負荷がかされた受
入器タンク回路に対して適当なＱ値（例えば、１０以上
）を与えねばならない。Ｑ値が小さすぎる場合、出力電
圧は負荷の変化に敏感である。また、適当な全体効率を
維持するために、送出器のコイルのインダクタンスが十
分大、きな入力インピーダンスを与え、送出器が過大な
電流をリンクに供給しないようにする。（一般的には、
送出器のコイルのインダクタンスが上昇すると、リンク
の入力インピーダンスは上昇する。）次の段階は最小ゲ
インを設定し、−周波数帯域にわたってゲイン変動を減
少する。動作周波数に対する受入器の共鳴周波数の比（
ω、／ω）が選ばれる。（リンクがクラスＤ送出器によ
って駆動される場合は、（０，／ω）は入力インピーダ
ンスが誘導的であるように選ばれるべきであり、これに
よって送出器が効率的にスイッチングを行うことが可能
になるということを思い出せ。）抵抗、結合範囲および
コイルインダクタンスとともにこの比は、動作周波数に
対する送出器の共鳴周波数の比（ｏｔ／ω）を固定する
。Ｃ３ｔ１０を決める式はリンクの各タイプによって異
なり、以下に与えられる。
次に、極が最小および最大負荷（Ｒｗ、Ｒ□）と、最小
、最適および最大の結合係数（Ｋ＠ＩｎｎＫｏｐ＋、に
ユ）との６つの組合せに対するゲイン対周波数によって
作られる。必要なゲインは巻数比（コイルのインダクタ
ンスを変化し、かつ（、〕ｔ／ωを調節することによっ
て得られる。例えば、ゲインが小さすぎる場合、巻数比
が変えられるか、ω、／Ｃ〕がｌに近づかなくてはなら
ない。
負荷によるゲイン変動が周波数帯域にわたって大きすぎ
る場合、受入器コイルのＱ値は上昇されるべきである。
広がりが片よっている（帯域の一方の側が他方の側より
もより変動している）場合は、ゲインが動作周波数につ
いて許容しうるほど均一となるまでω、／ωはわずかに
調節される必要がある。
リンクゲインには４つの組合せがある。即ち、電圧ゲイ
ン、電流ゲイン、トランスコンダクタンスゲイン、およ
びトランスインピーダンスゲインである。リンクゲイン
式は４つ全ての組合せに対して ｋ Ｆ　（ｋ）　＝ （ＢＫ”＋Ｃ）＋ｊ　　（ＤＫ’＋Ｅ）である。ここで
、ｋは結合係数（Ｏ２ｋ４１）であり、Ａ、ＢＳＣ，Ｄ
およびＥはリンクの組合せに依存する変数である。
ｋ ｆ　（ｋ）−ＩＦ：　（ｋ）ｌ− ＸＫ’＋３’に２＋ｚ （Ａ／、／’τ〕ｋ ここで、Ｘ＝０２＋０２ Ｙ−２８Ｃ＋２ＤＥ ７、　ｘ　Ｃ２＋Ｅ２ 一１般的なセクシダンをまとめる。最小ゲインはにｔａ
ｎとＫｍａＫでおこるが、最大ゲインはで生じ、 で与えられる。
Ｇ玉　　二ミ １＋ ｍａｎ 従って、ゲイン変動の量（Ｇ）、および最小および最大
ゲインが生じる結合値 （ｆｍｅ−ｆ　（Ｋｓｎ＋）　−ｆ　（にａｗ）＋’　
ｗａ−ｒ　（ＫＯＰＩ）　）は結合範囲を単に決めるこ
とによってわかる。
第２Ａ図はスタガ同調リンクの回路図である。
このスタガ同調リンクは電圧源によって駆動され、その
出力は電圧源に現われる。この構成は上記好ましい実施
例によって使用されたタイプである。
この回路に対する一般的なパラメータは、♂ ωでω子 、、＋ Ｄ＝　　− （］？虫 ωで＝　□ ｒ　Ｃｔ ＣＪ　γ　＝□ ｒＣｔ ３　Ｌ。
Ｑ４−□ ｔ ｋ。
０、＝□ （、〕Ｌ。
であるＫａ−＋＝　Ｚ／　Ｘ　−（Ｃ２＋Ｅ２）　／　
（ｔ３２＋０２）であり、これを代入して整理すると、 送出器の共鳴周波数に対する動作周波数の比（Ｊで／　
（ｊ　？について解くと、 ω？　　　１−Ｈ＋１／Ｑ？ に限定すると、最小および最大結合係数、コイルのＱ値
、動作周波数、および受入器の共鳴周波数が与えられる
。式は結合の変動に対するゲインの感度を最小にする送
出器の共鳴周波数を与える。
第３図に示された他の３つのスクガ同調リンクは同じよ
うな解決法に従う。
模範的な実施例についての詳細が以下に与えられる。
＊リンクタイプ：「電圧駆動：電圧用カー１＊結合範囲
　　：０．２４Ｋｆ０．５ ＊負荷範囲　　：ＩＫΩ４Ｒ４３にΩ ＊動作周波数　：　２０　Ｍｌｌｚ ＊周波数範囲　：　１９　Ｍｌｌｚ　ｌ　ｆ　４２１　
Ｍｌｌｚ＊送出器タ送出：クラスＤ電圧源 ＊帯域幅にわたって、負荷変動を含む許容可能なゲイン
変動：最大値から０．５低下 ＊最小ゲイン　：二２．０ 最大電圧ゲインに対する最小電圧ゲインの比は約０．９
０であり、目標である０、　５に十分大る。次に高結合
のためにフェライトバンキングを有する２つの同等のコ
イルが選ばれる。これらコイルは１、９６　ｐ　ｈであ
り、２０　ＭＨｚで５．８Ωの直列抵抗を有する。これ
ら数値は約４０の送出器のタンクＱ値と１にΩの負荷を
有する約４の受入器のタンクＱ値とを与える。
次に、ω、／ωは１より大きく選ばれ、入力はクラスＤ
送出器に対して誘導的であるようにされる。ω、／ω−
１．１とされる。
第３Ｂ図は「電圧駆動：電圧出力」リンクに対する付録
中の式で使用される、結合と負荷の６個の組合せに対す
るゲイン対周波数のプロットである。
第３Ｃ図は動作周波数（２０ＭＨｚ　）附近のゲインの
拡大図である。ゲインの最大の偏りは周波数範囲（２１
Ｍｌｌｚ　）の高端部で生じる。最大ゲインに対する最
小ゲインの比は０．７であり、設計目標０．５を越えて
いる。最小ゲインは約１．９であり、目標である２より
５％だけ小さく、多くの部品の許容範囲に十分入り、多
分受は入れることのできるものである。
受入器のＱ値はたった４であり、かなり低いことを思い
出せ。出力電圧の負荷依存性は、リンクの出力インピー
ダンスと実効的な負荷インピーダンスとの間での電圧分
割の結果である。リンクのインピーダンスが負荷と比較
し−て重大である場合、出力電圧は負荷に依存する。第
３Ｃ図で１あ・ら４と示された曲線はこの点を図示して
いる。これら曲線は結合の最底値における最小および最
大負荷に対するゲインを表示している。このリンクは、
コル４が最も弱く結合する時に、最も高い出力インピー
ダンスを有している。設計された帯域（１９ＭＨ２−２
１ＭＨｚ　）にわたって、最も大きなゲインの広がりが
２１　ＭＨｚで発生するが、曲線１および４によって制
限される。ここで、リンクの出力インピーダンス（約８
００　ｏｈｍｓに等しい）は負荷と比較して重大であり
、出力電圧は幾分か負荷に対して応答する。この出力イ
ンピーダンスを減少する方法が２つある。一つは、結合
係数を上げる（フェライトバンキングおよびより大きな
径のコイルの使用）ことであり、二つには負荷を有する
受入器コイルのＱ値が適当に高い（受入器コイルのイン
ダクタンスを関節する）ことを確かにすることである。
上述したように、このリンクは駆動装置にいくつが要求
をもたらす。第５図はリンクを駆動するのに使用するの
に設計された送出器の好ましい実施例を示す。この回路
はポータプルであり、動作が効率的である種々の特徴を
有するクラスＤＭＦ電圧駆動装置である。その周波数は
、電力供給電圧における変化に対して明らかに不感であ
り、その結果レギュレーションぬきでトランジスターラ
ジオの電池によって動かすことができる。周波数偏倚は
、ポータプルなデジタル論理回路と容易にインターフェ
ースする０ＭＯ３の等価な入力によって制御される。送
出器はまた出力段にコア駆動装置を使用して、惣速にか
つ効率的に高出力電流を噺続する。
スタガ同調リンクは、この例において、約４７Ωの最小
周波数を有しており、駆動する送出器の負荷は明らかに
小さい。３５％の効率だと、−日中（１６時間）２つの
９ｖのトランジスタラジオ用電池でリンクが作動するこ
とが可能とされる。
この効率だと上述したスタンフォードの刺激装置におけ
る場合と比較して電力消費並びに電池の大きさが相当減
少される（最悪の場合でも、電力消費は４００　ｍＶか
ら１３０　ｍＶになり、レンガ−個分の大ぎさの電池パ
ックが２個の９ｖの電池になる。）リンクは誘導型リン
クを横切って送られたＲＦ搬送波から電力を受け、この
搬送波の周波数変調（ＦＭ）からデータを引き出す。こ
の解決法は出力電圧からの情報をしゃ断し、再び出力電
圧を効率のために一定にし続ける。しかし、ＦＭはデー
タに必要とされるよりも広い帯域幅を要求する。
このリンクは付加的な帯域幅を与える。このリンクは依
然として毎秒１メガビツトのベースバンドデータレート
を与えることができる。このデータレートは神経刺激装
置に対して極めて高い。事実、この払ステムの帯域幅を
制限する要素はリンクではなく、ＦＭ受受入である（ト
ランジスタが２０Ｍ１ｌｚのベータカットオフ周波数を
有しているため）。
本発明のスタガ同調リンクは大きな帯域幅と高い効率を
与えることができるが、この２つの特徴は従来のリンク
においては互いに排斥し合うものであった・ 誘導型リンクは体内に埋め込まれた装置に電力およびデ
ータの両方を与える安全な手段を提供する。スタガ同調
の適当な応用において、結合とリンクのゲインとが反応
しないことを利用することによって、リンクが高効率を
与えることが今はできる。リンクは効率に逆に影響する
ようなとはなくして、広い帯域幅をも供給する。この技
術は神経刺激装置において成功し、結合に敏感でないこ
とが要求される多くの他の応用に容易に適することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第１図は２つのコイル同士の関係を説明する図、第２Ａ
図から第２Ｄ図はスタガ同調リンクの４つの組合せを示
す図、 第３Ａ図から第３Ｃ図は第２Ａ図に示された回路の組合
せを使用する結合補償されたリンク電圧装置の実際の結
果を示す図、 第４図は２０　ＭＨｚの動作周波数におけるゲイン対結
合の関係および負荷インピーダンスの実際の関係を示す
第２のグラフ、 第５図は本発明のリンクを駆動するのに有用なりラスの
送出器の詳細図である。 豪渓ゲイン （ガ、　グ′イン 栖【　斥　グ゛イブ １．事件の表示　　　昭和６１年特許願第７６４０６号
２、発明の名称　　　広帯域誘導型皮膚貫通電力および
データリンク ３、補正をする者 事件との関係　　出願人 ４、代理人

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）第１の外部コイル、医術によって埋め込まれた第
    ２のコイル、および前記第１および第２のコイルをスタ
    ガ同調し、選択された周波数あるいは重要な周波帯で前
    記コイルの相互結合に比較的独立してゲインを維持する
    手段から構成され、前記第１および第２のコイルは互い
    に相対的に移動し、前記コイルの相互誘導結合はコイル
    の相対的位置で変化し、前記スタガ同調する手段が、前
    記コイルの各々に結合し、前記コイル間の結合係数を最
    大し、リンクの出力インピーダンスを低下するＲＣネッ
    トワークから構成されている使用者の皮膚を通して電力
    および／またはデータを運ぶための誘導型リンク。
  2. （２）前記第１のコイルに結合し、前記第１の外部に設
    置されたコイルを駆動するためのクラスＤ増幅手段を更
    に有している特許請求の範囲第１項記載の誘導型リンク
    。
  3. （３）前記第２の埋め込まれたコイルの端子を介して接
    続された電圧レギュレータを更に有している特許請求の
    範囲第１項記載の誘導型リンク。
  4. （４）前記コイルが楕円で等しい大きさである特許請求
    の範囲第１項記載の誘導型リンク。
  5. （５）前記コイルの各々が、前記コイルのほぼ中心に磁
    石を有し、この磁石がコイルの位置の整合性を維持する
    ため反対の極性である特許請求の範囲第４項記載の誘導
    型リンク。
  6. （６）前記コイル間の結合を最大にするために前記第１
    および第２のコイルにフェライトの裏打ちが施されてい
    る特許請求の範囲第１項記載の誘導型リンク。
  7. （７）前記第１のコイルと並列に接続された並列ＲＣネ
    ットワークと前記第２のコイルに並列に接続された並列
    ＲＣネットワークを更に有し、電流入力と電圧出力との
    関係が決められる特許請求の範囲第１項記載の誘導型リ
    ンク。
  8. （８）前記第１のコイルと直列に接続された直列ＲＣネ
    ットワークと前記第２のコイルと直列に接続された直列
    ＲＣネットワークとを更に有し、電圧入力と電流出力と
    の関係が決められる特許請求の範囲第１項記載の誘導型
    リンク。
  9. （９）前記帯１のコイルに並列に接続された直列ＲＣネ
    ットワークと前記第２のコイルに直列に接続された並列
    ＲＣネットワークとを更に有し、電流入力と電流出力と
    の関係が決められる特許請求の範囲第１項記載の誘導型
    リンク。
  10. （１０）前記第２の埋め込まれたコイルの端子を介して
    結合された電圧レギュレータを更に有する特許請求の範
    囲第１項または第７項記載の誘導型リンク。
  11. （１１）電力およびデータを前記第２のコイルへ送るた
    めに前記第１のコイルを駆動するＦＭ送出器手段を更に
    含む特許請求の範囲第１項、第７項、第８項、第９項ま
    たは第１０項記載の誘導型リンク。
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