| 研究課題/領域番号 |
26350687
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| 研究機関 | 仙台高等専門学校 |
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研究代表者 |
佐藤 拓 仙台高等専門学校, 電気システム工学科, 助教 (30451545)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 心臓ペースメーカ / ワイヤレス充電 / ワイヤレス給電 / 充電状況 |
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| 研究実績の概要 |
若手研究(B)課題番号「24700602」で提案した「心臓ペースメーカのワイヤレス充電時における外部からの充電状況推定システム」をブラッシュアップし，実用化に向けた実践的検証を進める研究である．体内に埋め込まれたペースメーカの充電状況をワイヤレス充電時に体外から計測するシステムの構築を目指し，充電状況に対応してインピーダンスが変化する事に着目し，その変化を外部から推定するものである．
H26年度は①ワイヤレス給電時のチタンケースに生じる渦電流損に相当する等価抵抗を考慮した提案式による充電状況推定において，チタン以外の金属においても1次側パラメータから電池残量に応じて変化する2次側インピーダンスを計測できるか検証した．その結果，種々の金属においても提案する推定式が適応でき，推定式の妥当性を確認した．また，推定誤差の傾向や推定可能な条件（伝送効率，送受電コイルの結合係数）も明らかにした．②矩形波交流（duty可変）を用いたワイヤレス給電において，充電状況の推定が可能か検証した．その結果，矩形波伝送（duty変更）においても推定式可能であることが分かり，その推定誤差の傾向についても明らかにした．その他の研究進捗としては，③ワイヤレス給電時の2次側充電電流，2次側受電電圧を計測するための推定式を検討した．また，④文献調査により2次側電圧変動を抑える共振条件があることが分かり，これは充電後半の受電電力の制御（抑制）に効果的であることが分かった．また，研究を前倒しで⑤携帯型充電器の設計・試作を進めるに至った．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
①ワイヤレス充電時のチタンケースに生じる渦電流損に相当する等価抵抗を考慮した提案式による充電状況推定において，チタン以外の金属においても1次側パラメータから電池残量に応じて変化する2次側インピーダンスを計測できるか検証した．その結果，受電側コイルにある程度の電力が伝送できていれば2次側インピーダンスの推定が可能であることが分かった．コイル間ギャップが0～15mm（結合係数0.2以上）の場合は良好な充電状況推定が可能であった．一方，コイル間ギャップが20mm以上（結合係数0.15未満）の場合は平均誤差が約10%と大きく，特にインピーダンスが200Ω以上で推定誤差が大きくなっていく傾向が見られた．すなわち推定可能な条件として，コイル間ギャップ15mm以下，伝送効率10%以上，結合係数k=0.2以上の条件であれば誤差数パーセント以内で充電状況推定が可能であることが分かった．以上より，チタン以外の金属があった場合でも充電状況の推定が可能であり汎用性の高い計測方法であることが検証された．
②矩形波交流（duty可変）を用いたワイヤレス給電において，充電状況の推定が可能か検証した．その結果，C１が１次側を共振する値でも電圧変動率を抑える値のどちらの場合でも，矩形波伝送のdutyを変化さえた場合にも正弦波伝送と同様に充電状況（２次側インピーダンス推定）が十分な精度で可能であることが初めて明らかになった．1次側直列共振コンデンサC1が力率を改善する値の場合，正弦波伝送・矩形波伝送共に小さな誤差(矩形波で平均誤差率0.6%)で推定可能であることが確認できた．また，C１が電圧変動率を抑える値の場合にも小さな誤差(矩形波で平均誤差率-1.8%)で推定可能であった．Duty比を10%～50%まで変化させた場合でもいずれも小さな誤差(duty比30%で平均誤差率-2.8%)で推定可能である良好な結果を得た．
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| 今後の研究の推進方策 |
①2次側電圧・2次側電流・2次側電力の推定：ワイヤレス充電時に１次側パラメータの変化から２次側電圧や２次側電流を計測（推定）するシステムを構築する．従来の２次側インピーダンス推定による充電状況推定システムでは受電電圧一定が条件であったが，電圧変動時にも充電状況を推定可能で高度な充電制御が可能なシステム開発を目指す．
②位置ずれ（結合係数）の推定：ワイヤレス充電時に位置ずれを検知し，推定値を補正するシステムを構築する．これまで提案している推定式には，コイル間の位置ずれで変化するパラメータ（相互インダクタンスM または結合係数k）を含み，位置ずれで推定の誤差が生じる．そこで，位置ずれを1次側から推定し，補正できないかの検討を進める．本システムを実現できれば，位置ずれ警告や位置ずれによる推定値補正，送電出力の自動制御ができるようになる．
③携帯型充電器の試作：H26年度の正弦波伝送や矩形波伝送の研究成果を踏まえて，2次側インピーダンスを計測可能な携帯型充電器をPICなどの組み込みシステムを用いて試作する．特に矩形波duty比を変化させた充電制御システムの構築を目指す．
④発熱評価の環境整備：ペースメーカ用低発熱チタンケース（佐藤拓，他3名，充電式心臓ペースメーカを想定した低発熱非接触充電システムの試作,日本磁気学会誌,32巻(1号),pp.29-35 (2008)）を設計・製作し，充電時の発熱評価の環境を整備する（ファイバ温度計，恒温槽の準備）．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
該当年度は学会参加旅費が掛からなかったこと，および電子部品などの消耗品の購入を見送ったため．
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| 次年度使用額の使用計画 |
①学会参加費．②コイル線材，磁性材，電子部品，計測機器などの購入費．③ペースメーカ用チタンケースの製作費，材料費．④携帯型充電器の製作費用．⑤充電システムの発熱評価の環境整備（ロガー，恒温槽，光ファイバ温度計などの購入）．
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