JP4001551B2

JP4001551B2 - 温度計及び温度計の製造方法

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Publication number: JP4001551B2
Application number: JP2002549922A
Authority: JP
Inventors: ベル・フロリアン・ジー; バートン・ドナ・ケイ; レアード・ジェシー・エス; ジョーンズ・クリストファー・ティー
Original assignee: Mini Mitter Co Inc
Current assignee: Mini Mitter Co Inc
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: EP1342060A4; CN1479860A; US20020105436A1; CN1603764A; JP2004515775A; WO2002048663A3; JP4754515B2; EP1342060B1; US6629776B2; JP2007218920A; WO2002048663A2; EP1342060A2; CN1329719C; HK1065098A1

Description

【０００２】
発明の背景
第１の側面において、本発明は、電子温度計に関するが、必ずしも全てではないが、より詳細には、人間又は動物の被験者（被験動物）の体温又は周囲温度を測定するのに有効な温度計に関する。第２の側面において、本発明は、送信測定機器（好適には体温測定用温度計）と感知したパラメータの測定値を表示する携帯受信ユニットで構成される遠隔システムに関する。
【０００３】
いくつかの先行技術に係わる発明は、発振回路と共に温度依存性の抵抗素子を使用してデジタル温度計を構成している。この先行技術のうち、サーミスタは、充電コンデンサに直列の温度依存性の可変抵抗機器として時々使用されて、発信器のネットワークの周波数制御素子を構成する。以下の式により、発信周波数が決定される。
【数１】

【０００４】
ここで、Ｒは抵抗素子（サーミスタ）の抵抗値であり、Ｃは直列の充電コンデンサの容量値である。温度の変化と共にサーミスタの抵抗値が変動し、結果として周波数も変動する。その周波数を測定し、容量の値を知得することによって、Ｒの値が決定される。Ｒが温度にのみ関連するものなので、同様に温度も決定される。サーミスタに関して、その抵抗はスタインハート−ハート（Steinhart-Hart）の式を介して温度に関連している。発振回路としてマルチバイブレータを使用することが、低電力の海洋用途のために、Washburnによる米国特許第４３５９２８５号に開示されている。Hanaokaに発行された米国特許第４６０２８７１号と同第４４６４０６７号は、その特性が小型、軽量、改善された精度であると強調している、補償回路を使用したサーミスタ制御発信器に基づく温度計を開示している。後者の二つの特許は、センサーが低電力腕時計機器と共に使用される用途に言及している。
【０００５】
発信器の周波数を測定する一つの不都合は、抵抗の値を正確に引き出すためにはコンデンサの値を非常に正確に知らねばならないことである。一般に、正確に容量測定を行うことは難しく、更に、容量値は温度依存パラメータであることが知られている。温度変化と共に容量が増減し、その変化の程度はコンデンサに使用される材料の厳密なタイプ（Ｙ５Ｖ、Ｘ７Ｒ、ＮＰＯなど）に関連する。このやり方の更なる不都合は、発振回路の能動的な回路素子がそれ自体温度依存性を有することがあり得ることである。これらの依存性は予測がほとんど不可能であり回路毎に異なっている。
【０００６】
いくつかの先行技術が校正技術によってこの望ましくない温度依存性を軽減しようとして挑んだ。その先行技術の一例として、米国特許第４１５０５７３号は、パルス発振回路を制御するためにサーミスタを使用することを開示している。この特許文献において、パルス発信器の入力は、サーミスタと固定抵抗器の間で切り替えられる。サーミスタによって生成される周波数と固定抵抗器によって生成される周波数の間の比が形成される。この比は、回路構成部材の値と電源変動に関連した不確実性を解消する。このことは、高精度の部品の必要性を軽減したり、電源変動の影響を低減する効果を奏する。しかし、この考え方は、不必要に複雑であり発信回路の非理想的（non-ideal）な挙動を正確に測定するものでもないし、発信回路の能動的な構成部分の温度依存性をなくすものでもない。この考え方は、また、切り替え機器の温度変化に起因して誤差を生じさせることもある。
【０００７】
正確性が強く要求される医療用若しくはその他の用途の温度計（精度誤差が０．０５℃よりも下回る）に関連して、容量の変動によって生じた誤差と能動的な回路素子の変動によって生じた誤差は、許容されるものではない。これらの影響を０．０１℃を下回る程度に減ずる方法が必要とされる。更に、小型の体内摂取可能な温度センサーのような低電力用途に関連して、巧妙にコンピュータ制御された補正技術を用いることはできない。何故ならば、温度計が小型でなくてはならず、１．５Ｖのバッテリー電源又は３．０Ｖのバッテリー電源から電源供給されることが予想されるからである。
【０００８】
現在入手可能な体内摂取可能な温度反応送信機又は体内に摂取可能な温度監視小球状物が存在する。Kleinbergに発行された米国特許第４６８９６２１号とLesho他に発行された米国特許第４８４４０７６号は、体内摂取可能なカプセルに使用される温度反応送信機を記述している。双方に開示された送信機は、その機器の温度によって決められる単一周波数において連続的に送信する水晶制御発信器を採用している。更に、Lesho他は、周波数カウンタを採用して送信機の周波数を決定すると共に演算を行って前記小球状物によって感知された温度を決定する受信機も開示している。
【０００９】
しかし、これらの機器は共に、純粋なアナログ機器であり、単一の周波数で連続的に送信するために、厳しい適用限界を有する。このことは、単独の被験者に複数の機器を使用したり、互いにこぐ接近した複数の被験者に複数の機器を用いることをできなくする。何故ならば、個々の機器からの信号が互いに混信して区別できなくなるからである。更に、その先行技術は、水晶の温度特性を使用して送信機の発信周波数を変更し、受信機内の周波数カウンタ又は他のコヒーレントな検出器に絶対的な周波数、更に、温度を決めるように要求している。発信周波数を決めるために水晶を使用することは、また、コスト高の校正手段を必要とし、機器の使用者にそれらの校正値を使用に先立って受信機に入力することを要求する。
【００１０】
体内に摂取可能なカプセルに使用されるバッテリーが蓄電中の電流漏出を阻止するために、先行技術は、バッテリーと回路素子の間に磁性リードスイッチを置いている。反対に、機器は、磁石にごく接近させたままで機器を不活動状態に維持するようにして蓄電されねばならない。若しくは、それがLesho他に開示されたような充電可能なバッテリーと充電器を使用しなければならない。
【００１１】
発明の要約
本発明の第１側面において、その基本は、マルチバイブレータの充放電時間を制御する温度依存抵抗素子を有する回路である。充放電時間を測定し、それらの時間成分を式で変換することによって、抵抗素子の抵抗値が決定される。抵抗素子の抵抗が温度にのみ関連するものなので、その温度がただ一つ決定される。
【００１２】
先行技術と同様に、我々の発明も、また、その発信周波数がサーミスタの抵抗値と充電コンデンサの値の組み合わせＲＣによって決定されるサーミスタ制御マルチバイブレータを採用する。しかし、好適な実施の形態は、先行技術には含まれていないいくつかの固有の設計を含んでいる。これらの設計は新規な手段を提供して、（１）マルチバイブレータ回路の非理想的な挙動によって生み出された誤差を無にし、更に、（２）受動的及び能動的な回路素子内の望ましくない温度依存の影響を無にすることによって精度を大いに改善する。
【００１３】
我々の発明は、好適な実施の形態においては、マルチバイブレータ回路として、ＣＭＯＳ５５５タイマーを採用する。しかしながら、他の発振器設計も他の用途と同様に使用できる。例えば、より大きな高圧電源が利用可能であるときには、我々の方法は、バイポーラである５Ｖの５５５タイマーと共に使用される。
【００１４】
本発明の第１の側面の好適な実施の形態の第１の新規な特徴は、センサーのデジタル波形の充放電時間の測定を介して温度を決定することである。放電時間の充電時間に対する比を測定することによって、センサーが例えば体温や皮膚温度や周囲温度などと平衡になる温度によって唯一無二に決定されるセンサーの応答性が得られる。
【００１５】
本発明の第１の側面の好適な実施の形態の第２の新規な特徴は、温度依存抵抗に代えて、精密な基準固定抵抗器を用い該固定抵抗器が所定の位置に置かれている時のセンサーの応答性を測定することで、センサーのセル定数を測定することである。温度依存抵抗が所定の位置に置かれている場合の後続する全てのセンサー応答性の測定が前記セル定数によって正規化され、それによって、非安定マルチバイブレータと、マルチバイブレータ周波数を制御する受動回路素子の非理想的な影響を無にする。
【００１６】
本発明の第１の側面の好適な実施の形態の第３の新規な特徴は、基準固定抵抗器が、温度依存抵抗器がある固有の温度で安定であるときの温度依存抵抗器の正確な倍数値であることである。サーミスタにとって、この固有の温度は、「基準温度」として知られており、固有温度でのサーミスタの抵抗は基準抵抗として知られている。理想的には、倍数値は、正の整数であり、好適には、１である。
【００１７】
本発明の第１の側面の好適な実施の形態の第４の新規な特徴は、温度依存抵抗に代わって既知の値の基準抵抗を用いることによって、セル定数がセンサーの組み立て中に測定されることができることであり、そして、この方法は恒温浸漬バス又はチャンバの使用を必要としない。
【００１８】
本発明の第２の側面に関連して、体温測定システムは、体温データを送信するマイクロ制御器をベースにした測定機器と、その送信を解読して温度を表示する身体に装着された受信ユニットで構成される。
【００１９】
この測定機器は、以下の３つの電気的サブシステムを有する。すなわち、サーミスタ制御マルチバイブレータセンサー回路と、低電力マイクロ制御器と、被変調送信機である。高精度のサーミスタは、非安定マルチバイブレータ構成体に接続された集積回路タイマーに可変充電素子を提供する。マルチバイブレータはパルスを発生するが、その動作期間はサーミスタ充電素子が変化するときに変わる。そのパルスは、低電力マイクロ制御器によってカウントされて、同じマイクロ制御器によってデジタル数値に変換され一時的にメモリに記憶される。デジタル数値が一度決定されると、マイクロ制御器はマルチバイブレータへの電源供給を停止してバッテリー電源を保持する。
【００２０】
それ自身のクロックとシード値を用いて、マイクロ制御器は擬乱数を計算して次のデータ送信の開始を決定する。そして、マイクロ制御器はデータワードを構築するが、そのデータワードは、現状の基準クロック値と、マルチバイブレータのカウントからのデジタル数値と、製造中にマイクロ制御器に予め記憶されていた固有のシリアル番号と、データワードの他の値から計算されたエラー検出数値で構成される。このデータワードは、非常に独特なビット値によってインターリーブされ、プレアンブル及び同期ワードに付加されてデータパケットを構成する。次の送信時に、マイクロ制御器は、ＲＦ送信機を活動状態にしてそのデータパケットをＲＦ送信機の変調部に送り始める。
【００２１】
ＲＦ送信機は、搬送波を供給する水晶安定発信器と、その搬送波を周波数変調する可変コンデンサから構成される。一度活動状態になると、ＲＦ送信機はマイクロ制御器からのデータパケットを搬送波に対して変調し、変調された搬送波を送信する。データが送信された後で、マイクロ制御器はＲＦ送信機を非活動状態にし、スリープモードに入ってバッテリー電源を保存する。マイクロ制御器は次の送信の直前までスリープモードのままであるが、その後マルチバイブレータを再度活動状態にして、再び、温度測定サイクルを開始する。
【００２２】
測定機器の電子回路全体は、一又は二の酸化銀電池により作動するように設計されている。機器と電池は飲み込むことが可能な生体親和性のある外殻でパッケージ化されている。
【００２３】
受信ユニットは以下の三つの機能的なサブユニットで構成されている。すなわち、データ復調器及びインタープリターと、センサートラッキング及びデータ変換アルゴリズムを装備したマイクロ制御器と、起動機構である。データ復調器は、搬送波をデータに復調するラジオ受信機で構成される。オンボードのマイクロ制御器は、インターリーブされたビットを取り除き、エラー検出ワードを点検して入力データがＲＦチャンネルによって不正でないか否かを決定する。完全な状態のデータワードに関連して、マイクロ制御器はマルチバイブレータカウントからのデジタル数値を温度に変換する。データワードから得られた温度とシリアル番号は、ＬＣＤ上に表示され、オンボードのメモリに記憶され、そして／又は、直接のワイヤ接続又は二次的なラジオ周波数リンクを通じてリモートステーションに再送信される。
【００２４】
送信機において次の送信時間を決定するために使用されたのと同じ擬乱数アルゴリズムが、受信ユニットのマイクロ制御器にもプログラムされている。このアルゴリズムを使用して、受信機はそれぞれのセンサーがいつデータパケットを送信するのか、そして、どのセンサーがそのデータパケットを送信しているのかを予測することができる。たとえ、受信ユニットが測定機器から遠く離れて無線通信ができなくても、受信者はそのアルゴリズムに基づいてその特定の送信機が送信されるべき時間を予測することができる。
【００２５】
擬乱数アルゴリズムが正確に起動されるために、受信ユニットは埋め込み式の起動機構を具備する。受信機ハウジング内の凹所は、測定器カプセルを保持する。受信機のマイクロ制御器は、その凹所に内蔵されたＩＲＬＥＤを点滅する。機器カプセル内の赤外線（ＩＲ）感知フォト検出器は、カプセルのマイクロ制御器を活動状態にする。ＩＲＬＥＤを介した受信機からの後続のメッセージは、カプセルの使用を確認し、測定機器からの送信を促進する。この測定機器からの第一の送信には、機器のシリアル番号とクロック値と製造中に記憶された補償値が含まれている。このシリアル番号は、全ての後続する送信中においてその機器を特定する。このシリアル番号中には、センサーが測定するのはどのタイプの生理的なパラメータなのかを示すセンサー識別子が含まれている。利用者にフィードバックされてセンサーが特定されたことと実働状態にあることが示される。温度監視システムは、他の生理的なパラメータ（心臓鼓動速度や血圧やＳＰＯ₂などを含む）や、挙動に関するパラメータ（例えば、活動状態、スリープ状態など）や、環境状態（例えば、温度や身体の動きなど）や、検出状態（例えば、毒又は関連する他の物質の濃度レベル）の感知をサポートすることができる。
【００２６】
クロック値は、センサートラッキングアルゴリズムの一部として使用され、そして、補償値はマルチバイブレータからのデジタル数値を温度に変換するのに使用される。
【００２７】
オンボード起動機構を使用して、それぞれが固有のシリアル番号を有し、センサートラッキングアルゴリズムに異なるタイムシーケンスが与えられているので、同じ受信機によっていくつかの機器を監視することが可能である。
【００２８】
本発明の第２の側面の好適な実施の形態の第１の新規な特徴は、マルチバイブレータを使用して、動作期間を変更しながら、サーミスタ抵抗値をパルスに変換し、オンボードのマイクロ制御器によってそのパルスをカウントし、結果の値をデジタル数値としてメモリに記憶することである。
【００２９】
本発明の第２の側面の好適な実施の形態の第２の新規な特徴は、固有のシリアル番号が機器のマイクロ制御器のメモリに記憶され、被測定温度数値と共に送信されて特別に機器を特定することである。そのシリアル番号は、生理的パラメータ（心臓鼓動速度や血圧や温度など）や挙動に関するパラメータや、環境状態パラメータや、検出状態パラメータのうちのいずれが測定中なのかを示すセンサー識別子を含んでいる。
【００３０】
本発明の第２の側面の好適な実施の形態の第３の新規な特徴は、センサー／送信機のマイクロ制御器が、それ自身のクロック値とシード数に基づいて擬乱数を計算することによって、次のデータ送信がいつ行われるかを決定することである。同じアルゴリズムが受信ユニット内にも内蔵されており、受信機がそれぞれの機器からの次の送信がいつなのかを予測することを可能にする。
【００３１】
本発明の第２の側面の好適な実施の形態の第４の新規な特徴は、被測定温度数値とクロックサイクルと固有のシリアル番号がエラー検出数値と共にデータワード内に組み合わされていることである。このデータワードは、ビットスタフィングを用いてコード化され、プレアンブルと同期ワードと共に組み合わされてデータパケットを構成している。
【００３２】
本発明の第２の側面の好適な実施の形態の第５の新規な特徴は、ＲＦ送信機トポロジーが搬送波を変調する機構を装備していることである。更に、ＲＦ送信は、連続的によりもむしろ周期的に行われるが、マイクロ制御器によって計算された時間までは開始されない。
【００３３】
本発明の第２の側面の好適な実施の形態の第６の新規な特徴は、マイクロ制御器がマルチバイブレータとＲＦ送信機の起動を制御し、スリープモードを使用して電池に流れる平均電流を最小にすることである。これにより、極小の酸化銀電池を使用することができる。
【００３４】
本発明の第２の側面の好適な実施の形態の第７の新規な特徴は、赤外線発光ダイオード（ＩＲＬＥＤ）と赤外線（ＩＲ）感知フォト検出器を利用した起動機構である。この機構は、測定機機内のマイクロ制御器リセットを起動して、使用前に長期間しまい込んでおくことを可能にする。ＩＲ通信によるリンクは、また、受信ユニットが命令を機器に送ることを可能にし、その機器にシリアル番号や補償値などの情報の入力を促す。ＩＲ通信によるリンクは、更に、センサーが限界内で作動しているか否かの判断を受信ユニットがすることを可能にするので、センサーが十分な作動をしているについてフィードバックを利用者に対して行うことができる。
【００３５】
好適な実施の形態の説明
図１に図示された温度感知回路は伝統的な５５５タイマー回路であるが、その充電時間は抵抗器Ｒ_TとＲ₁とコンデンサＣ₂によって制御され、その放電時間は抵抗器Ｒ₁とコンデンサＣ₂によって制御される。伝統的な５５５タイマー回路は外部ネットワークを使用して周波数を制御しているが、変換器に５５５タイマーを色々使用することは周知である。
【００３６】
本発明の一つの実施の形態において、Ｒ_Tは２５℃で約１００ＫΩの抵抗値を有する高精度のサーミスタであり、Ｒ₁は１００ＫΩの高精度の固定抵抗である。このことが、図２に示すような充電時間ｔ_cが放電時間ｔ_dの約２倍である５５５パルス波形を生み出すこととなる。
【００３７】
温度が２５℃以上に上昇すると、サーミスタは負の温度係数を有しているので、サーミスタの抵抗は減少する。２５℃以上の温度での結果的な波形は、減少した動作期間ファクタと高周波数を有する。このように、周波数と動作期間ファクタは、周囲の温度に一意的に関連している。低電力作動中は、サーミスタの抵抗は大きな値でなくてはならず、理想的には２５℃で１００ＫΩである。そのような大きな値でないのであれば、直列抵抗ＲＳを加えて、ＲＴ＝Ｒｔｈ＋Ｒｓ（ここで、Ｒｔｈはサーミスタであり、ＲＴはＲｔｈとＲｓの直列総抵抗値である）にする必要があるかもしれない。
【００３８】
周波数を測定するのに代わって、システムの充放電時間を測定することとする。このことは、周波数領域の測定よりもむしろ時間領域の測定である。この方式において、充電時間は次の一般式によって得られる。
【数２】

【００３９】
そして、放電時間は、以下の式によって得られる。
【数３】

【００４０】
これらの式において、ＡとＢはコンデンサＣ２の値と５５５タイマーの他の特性に依存したファクタである。
【００４１】
設計を簡単にするためには、Ｒｓ＝ｎ＊Ｒ１（ｎは整数である）にすることが都合がよい。更に、基準温度でのサーミスタの抵抗値がＲ１と同じになるようにサーミスタを選定する方が設計を単純にする。そして、Ｒｔｈが温度依存数量であるとすると、Ｒｔｈ＝θＲ１にする（ここでθは温度依存関数であり、その値は温度がサーミスタの基準温度と同じであるときの単位値である）。容量や能動回路素子の温度依存性を排除するために、ｔｃのｔｄに対する比を次のように構成する。
【数４】

定数Ａ／Ｂをセル定数μとする。
【００４２】
その比はギリシャ文字「γ」によって示され、この関数を次のようなセンサー式とする。
【数５】

【００４３】
医療用の温度計にとって、基準温度は通常２５℃である。この基準温度において、Ｔ＝Ｔ０＝２５℃であり、θ＝１であり、γ＝γ０であり、前記式はγ０＝μ［２＋ｎ］となる。
【００４４】
理想的な５５５タイマーにとっては、理論値としてμ＝ｌｎ（２）＝０．６９である。しかし、５５５タイマーの実際の集積回路版、特に、低電力用途のＣＭＯＳタイマーは実際にμ＝０．６９を有することはないし、この方法を高精度にあるようにするために、μの値を決定しなければならない。原則的に、ｔｃ／ｔｄの値を基準温度２５℃で測定した場合、基準温度におけるサーミスタの値がＲ１と全く同じである限りにおいて、次の式からセル定数μを決定することができる。
【数６】

【００４５】
実際には、基準温度の抵抗が非常に狭い許容誤差を有する様々な値で利用可能な医療グレードのサーミスタの製造業者がいくつか存在するので、このことは容易である。また、現実の値がその名目値に対して０．１％に近いものである高精度の固定抵抗器も入手可能である。
【００４６】
非常に正確にセル定数を決定するより直接的な方法は、サーミスタの代わりに固定抵抗器を用いることである。この固定抵抗器の値は、サーミスタの基準温度におけるサーミスタの値と同じになるようにすべきであり、Ｒ１の値も同様にすべきである。この代替は、２５℃でのサーミスタの抵抗をシミュレートする。固定抵抗器がサーミスタに代えられるときには、センサー式は、次のようになる。
【数７】

【００４７】
このように、セル定数は比ｔｄ／ｔｃの測定値を（２＋ｎ）で割ったものと同じである。一度セル定数が測定されると、固定抵抗器は取り除かれてサーミスタが取り付けられる。セルが構築されるときに、この測定は一度だけ行われる必要があり、この方法はパーソナルコンピュータと小型検出器セットの使用によって容易に自動化できる。セル定数が一度分かると、それがセンサーマイクロ制御器のオンボードのメモリに記憶される。
【００４８】
実際の温度測定にとっては、セル式が反転されて熱関数θ（Ｔ）を生成する。温度Ｔにおける熱関数は、温度Ｔにおけるサーミスタ抵抗の基準温度２５℃におけるサーミスタ抵抗の比である。以下の式となる。
【数８】

【００４９】
温度計の好適な実施の形態において、センサーネットワークがマイクロ制御器回路と組み合わされて小型温度計を形成する。この温度計のサイズはできる限り小さくなるように造り、体内に摂取可能なカプセルに組み込めるようにして身体の芯部の温度を測定したり、小さな貼り布に付着して皮膚温度を測定したり、外耳孔のような身体の穴内に配設するか若しくは人体や動物の身体のどこかに埋め込むことが可能なカプセルに組み込んだり、又は、小さな送信機の形状で周囲温度の測定に用いるようにする。測定作業中、回路が先ず組み立てられて、固定抵抗器がサーミスタの代わりに取り付けられる。外部の検出器セットが使用されて、センサーをＯＮにし固定抵抗器が所定の位置に置かれているときにｔｃとｔｄの値を記憶する。これらの値から、外部コンピュータ（パーソナルコンピュータ）がセル定数を計算するために用いられる。そして、外部ＰＣはセル定数の値をセンサーのオンボードのマイクロ制御器にプログラムする。このプロセスが完了すると、固定抵抗器は取り除かれてサーミスタが取り付けられる。この時点から、温度計回路が起動されたときに、マイクロ制御器がｔｃとｔｄを測定してセル定数を用いて温度を計算する。
【００５０】
サーミスタにとって、熱関数は以下のSteinhart-Hart式により一意的に温度に関連される。
【数９】

【００５１】
この係数ａ、ｂ、ｃは一定であり、サーミスタを製造するために使用された材料の特性による。最高の精度にするために、医療グレードのサーミスタが使用されるが、その係数はサーミスタの供給者にとって非常に正確に知られているし、提供されている。
【００５２】
実際の実装において、Steinhart-Hart式によってサーミスタ抵抗から温度が得られないことが起こり得るかもしれない。このことは、回路がSteinhart-Hart式の曲線から偏倚するようにする熱的特性を有することもあるからである。まだ、広範な温度範囲に亘ってサーミスタ抵抗Ｒｔｈを温度Ｔに関連付ける温度関数を得ることは可能である。（Ｒｔｈ（２５）＝Ｒ１なので）以下のように定義をすることによって、基準温度２５℃における値に関連してＲｅはサーミスタの「実効抵抗値」となる。
【数１０】

【００５３】
２５℃以上の温度にとって、Ｒｅは１以下である。２５℃以下の温度にとって、Ｒｅは１以上である。このことはＲｔｈが負の温度係数を有するからである。以下の形式の多項関数が広範な温度範囲に亘ってサーミスタの実効抵抗に温度を十分に関連付けるものであることを発見した。
【数１１】

【００５４】
したがって、Steinhart-Hart式よりもむしろこの多項式に基づいて温度を計算する。
【００５５】
実際の実装において、この温度計は、良好なレベルの精度と分解能で、例えば、例えば、−３０℃から＋７０℃までの１００Ｃの範囲に亘って温度測定が可能である。
【００５６】
本発明の第２の側面に関連する温度測定機器の送信ユニットの電子構成部品の構成を示すブロック図が図３に示されている。電子機器は、マルチバイブレータ２に可変充電素子として接続された精密なサーミスタ１と、カウンタータイマー４とクロック発振機５とデータパケットコード化器１０と帯域阻止フィルター１４と電源制御入出力部８を内蔵するマイクロ制御器３と、ＩＲ感応フォト検出器７と、変調器とアンテナを内蔵するＲＦ送信機６とからなる。
【００５７】
マルチバイブレータは、サーミスタ１とコンデンサに図１に関連して説明された方法で接続された５５５タイマーを具備することもできる。マルチバイブレータ出力ＯＵＴＰＵＴは、マイクロ制御器のカウンタータイマー回路の入力ポートに接続されている。マイクロ制御器のタイマーカウンターは、放電サイクル中のクロックサイクル数と隣接する充電サイクル中のクロック数をカウントし、そして、これらの二つの数を記憶する。放電サイクル中のカウント値が帯域阻止フィルターの限界値と比較される。放電サイクルのカウント値が帯域フィルターの両限界値の上又は下である場合、それは充電サイクルの対応するカウントと共に阻止される。この阻止フィルターは、タイマーカウンターのミストリガによって生じる誤カウントを排除する。放電サイクルのカウント値が帯域フィルターの両限界値内に存在する場合、充電サイクルの対応するカウントによって分割され、そして、サンプル数の検数が一だけインクリメントされる。そして、放電カウント対充電カウントの比が、連続総計を開始するためにメモリ内に記憶される。放電及び充電サイクル中にクロックをカウントするプロセスが、決められた回数繰り返されて、各対のカウントが阻止されるか又は分割されてその比がメモリ内の連続総計に加えられる。カウントプロセスが完了したとき、各比の連続総計がサンプル総計の数によって割られて、そのサンプル期間の放電カウント対充電カウントの平均比が得られる。その平均比がいくつかのサンプル期間の間で集められて、それらの値が更に平均化されて、結果的にほとんどノイズのない放電カウント対充電カウントの最終比が得られる。この最終比が、それが送信される時点まで、マイクロ制御器のメモリにデジタル数値として記憶される。
【００５８】
補償プロセス中、精密な抵抗器がサーミスタＲｔｈに代わって使用される。放電カウント対充電カウントの平均比が、前記の段落において説明されたのと同じ手続きで決定され、マイクロ制御器のメモリに補償値として記憶される。
【００５９】
製造中に、固有のシリアル番号が、また、マイクロ制御器のメモリに記憶される。
【００６０】
近くにある機器とのクロストークを避けるために、マイクロ制御器は擬乱数アルゴリズムを使用して、次の送信がいつ行われるのかを決定する。将来の時間は、４８秒の「活動的な」インターバルと１２秒の「ガード」インターバルからなる１分の刻みマークに分解される。この１２秒の「ガード」インターバルは、各活動的なインターバルを緩衝して、連続する送信と送信の間の時間経過を提供する。それぞれの４８秒の「活動的な」インターバルは、２５６個の送信スロットに分割されるが、それぞれのスロットは特別な時点によって定義されている。４８秒の「活動的な」インターバル内において、特別な時点が擬乱数発生（ＰＮＧ）関数に基づいて演算される。ＰＮＧ関数は、ｐ（ｘ）＝ｘ²⁴＋ｘ⁴＋ｘ³＋ｘ＋１の多項式に基づく。その乱数が、シード値である、この多項式ｐ（ｘ）に基づく１と０の配列と経過した刻みマークの数とその時点のために使用されたビット数（この例に場合には、２５６個の送信スロットがあり、８である）を構築するプログラムループによって発生される。最初のシード値は、それぞれの機器で異なっており、新たなシード値がそれぞれの経過中の刻みマークに対するランダムなビットと共に生成される。結果は、予め予測可能なランダムな一連の送信スロットにおいて連続送信が行われる。
【００６１】
図３に戻って言及すると、マイクロ制御器に集積されたクロック発振機５が擬乱数アルゴリズムに基準時を提供する。擬乱数アルゴリズムからの時点は、次の送信が生じるべき時の基準クロックの値を計算するために使用される。
【００６２】
次の送信時の直前に、マイクロ制御器はマルチバイブレータ温度測定器ルーティンを起動する。測定後に、マイクロ制御器は、マルチバイブレータを活動停止にして、送信時点と、製造プロセス中にメモリ内に予め記憶された機器のシリアル番号と、マルチバイブレータからのデジタル数値と、エラー検出バイトからなるデータワード９を構成する。機器のシリアル番号は、それが温度センサーであることを示すセンサー識別子を含んでいる。センサー識別子は、センサーが温度計又は（心拍数センサーのような）他の生理的なセンサーであるのか、若しくは上記にように、他のパラメータ又は状態のセンサーなのかを区別する。エラー検出バイトは、巡回冗長コード（ＣＲＣ）アルゴリズムを使用して計算され、そして、デジタル数値と機器のシリアル番号と送信時点と補償値に基づいている。データワードは、４ｂ／８Ｂのビットスタッフテーブルを中間に介在（interleaved）させてＲＦ送信機６に送られる１と０の数のバランスを取ることによってコード化される（１０）。コード化器は、また、プレアンブル１２と同期ワード１１をデータパケットの前に添付する。受信ユニットはそのプレアンブルを使用して、搬送周波数を追跡する。
【００６３】
データパケットが一度構築されると、マイクロ制御器はＲＦ送信機を起動する。図４は、ＲＦ送信機の略図である。
【００６４】
この送信機は、（米国特許第１７８９４９６号の）ピース（Pierce）発信機構成であり、Ｘ１、Ｄ１、Ｃ３は共振器であり、Ｑ１、Ｌ１、Ｃ２は増幅器である。本出願人は、Ｘ１として基本振動水晶を選択して送信機の搬送波を±１００ｐｐｍに安定化する。誘導器Ｌ１は、アンテナとして作動する。コンデンサＣ２はＬ１と共にタンク回路を形成し、送信機の出力電源を増強する。抵抗器Ｒ２は、別の位相シフトを提供して、安定発信を確実にしタンク回路を共振器から分離する。マイクロ制御器からのデータは、バラクターＤ１の電圧を変更し順次共振器の共振周波数を変更して搬送波を周波数変調する。その結果、周波数偏倚変調搬送となる。別の実施の形態は、直接Ｑ１のベース又はコレクタに係る電圧を変更し、結果的に、増幅偏倚変調又はオンオフキーイングとなる。ＲＦ送信機のトポロジーは、１．５Ｖ又は３Ｖの何れかの電池Ｖ１からの作動に向いている。
【００６５】
図３に関連して、機器を使用前の長期間に亘ってしまい込んでおくことを可能にするために、起動スイッチとして赤外線（ＩＲ）感知フォト検出器７が使用される。出願人はフォト検出器としてフォトトランジスタを選択したが、別の実施の形態では、フォトダイオードが使用される。フォトトランジスタはマルチバイブレータとＲＦ送信機の電源を制御するマイクロ制御器のリセットピンと入力ポートの一つと、ＲＦ送信機に接続されている。起動中、機器カプセルは、ＩＲＬＥＤに近接した状態で受信ユニットの凹所に収容されている。フォトトランジスタが十分な光を感知すると、マイクロ制御器のリセットをトリガしてクロック５を起動し、起動ルーティンを開始する。そして、マイクロ制御器は、ＩＲリンクを介して送られてくる受信ユニットからの所定のメッセージを待つ。そのメッセージが予め割り当てられた時間内に受信されない場合には、マイクロ制御器は再びスリープモードに入る。メッセージが受信された場合には、ＲＦ送信機が起動して、マイクロ制御器のメモリに記憶されていた補償値と機器のシリアル番号と現状のクロックカウントがＲＦ送信機を介して送られる。このように、受信ユニットと温度測定機器は同期され、そして同じシード値を有する。受信ユニットはＰＮＧ関数の入力としてシード値と機器クロックを使用して、たとえＲＦ通信が失われていたとしても、次の送信の予測時間を決定することができる。予め決められた温度数値と共にサンプルデータパケットを送信すると共に、測定ルーティンを開始することによって、機器が起動プロセスを完了する。
【００６６】
サンプルデータパケットを含む起動プロセス中において何れかの通信が途切れたり破壊されたときには、受信ユニットは機器が非作動中であるとの警告と可能な対処法を利用者に表示する。
【００６７】
図５は、受信ユニットの各機能のブロック図を図示する。マイクロ制御器１４はスーパーへテロダインラジオ１を起動するが、該ラジオ１は温度測定機器からの信号を受信してそのデータを復調する。一度完全なデータパケットが受信されてメモリに記憶されると、受信機ラジオ１はマイクロ制御器１４によって非活動状態にされる。マイクロ制御器は、開始インジケータとしてデータパケット内の同期ワードを使用し、データワード３から中間に介在（interleaved）させたビットを削除する。そして、エラー検出バイトがチェックされて、データワードが有効であることを確実にする。無効なデータワードは拒否される。ＩＤマスク関数２は、有効な送信からのシリアル番号を受信機によって起動された機器のシリアル番号リストと比較する。整合しないシリアル番号を有するセンサーデータストリームは無視される。整合するシリアル番号を有するセンサーデータストリームのマルチバイブレータのデジタル数値は初期化中に記憶された補償値を使用して有効な抵抗の値を計算するために使用され、そして、有効な抵抗値が多項式の関数Ｔ（Ｒｅ）に基づいて温度値に変換される。その温度がリアルタイムクロック４からのタイムスタンプと共にメモリ６に記憶される。利用可能なときにはいつでも、ＬＣＤ８に新たな温度データが表示される。キーパッド１６が使用されて、機器のオプションを変更し、初期化を行い、利用者のデータを入力し、他のシステム機能を実行する。その後温度データはシリアルインタフェース７とＰＣを使用してメモリから取り出されるか、若しくは、直接接続又は二次的なラジオ周波数リンクを介して、リモートステーションに送信される。
【００６８】
ＰＮＧシーケンサー１０は、マイクロ制御器のクロック１７を利用していくつかの個々の感知機器にする送信インターバルを追跡するが、該感知機器は感温機器であってもよいし、他のパラメータに対して感知可能なものでもよい。それぞれの感知機器にプログラムされた同じ擬乱数アルゴリズムがＰＮＧシーケンサー１０にプログラムされる。その擬乱数アルゴリズムと、感知機器から転送されたシード値を利用して、ＰＮＧシーケンサー１０は何時次の送信が起こるのか、そして、どの感知機器が送信するのかを予測可能にする。次に予想される送信の直前において、受信ラジオ１は、マイクロ制御器によって起動される。
【００６９】
キーパッド１６の一部であってもよい押しボタンが、新たな温度測定機器（又は、他の感知機器）の起動を開始する。起動ルーティンの間において、マイクロ制御器はＩＲＬＥＤ９を介してメッセージを温度測定機器に送る。若干の遅延の後で、マイクロ制御器１４は、同じＩＲＬＥＤを用いて補償値と機器のシリアル番号を要求する。ラジオ１は起動して、温度測定機器から送信されたメッセージを受け取る。ＰＮＧシーケンサー１０は、シリアル番号を使用して固有のシード値を計算し、ＩＲＬＥＤを介してそのシード値を温度測定機器に出力する。その機器は予め決められたデータパケットと共に応答する。受信ユニットは、データパケットの有効性を検証する。データパケットの有効（又は無効）がＬＣＤ８に表示される。
【００７０】
キーパッド１６上に起動素子を有するようにしてもよい電源スイッチ１２は、受信ユニットがしまい込まれている間主電池１３を保存可能にする。バックアップ電池１５は、主電池１３が交換されている間リアルタイムクロック設定とデータ揮発性メモリを保存する。
【００７１】
要約すると、本発明の第２の側面である好適な実施の形態は、体温又は他の生理的なパラメータ、行動パラメータ、環境状態などを測定することを目的とする温度計である。この温度計は、体温データを獲得してそれを送信する、マイクロ制御器に基づく温度測定機器と、被験体に着用されてデータを解読して温度を表示する受信ユニットで構成される。
【００７２】
測定機器は、次の３つのサブシステムからなる。即ち、サーミスタ制御マルチバイブレータセンサー回路と、低電力マイクロ制御器と、変調ＶＨＦ送信機である。これらの電子機器は、二つの酸化銀電池によって作動し、摂取可能な生物親和性のあるカプセル内に収納するのに十分なほど小さいものである。この機器からの送信は周期的であって、特定のパターンに従って個々の機器間のクロストークを減少する。
【００７３】
受信ユニットは、測定機器からのデータを復調し、そして、特別な補償値を用いてそれを温度データに変換する。その温度がデジタルでＬＣＤディスプレイ上に表示され、メモリに記憶される。
【００７４】
この温度計は、電池を消耗せずに長期間機器をしまい込んでおくことを可能にする起動機構を内蔵する。受信ユニットは、赤外線（ＩＲ）発光ダイオード（ＬＥＤ）と測定機器を収容する凹部を有する。測定機器は、その凹部に配置されたときに受信ユニットのＩＲＬＥＤによって起動されるＩＲ感知フォトトランジスタを有する。受信ユニットからのメッセージは、測定機機内のマイクロ制御器を起動して、マルチバイブレータのセンサー回路を起動する。
【００７５】
本発明はここに説明してきた特定実施の形態に制限されるものではないし、添付の特許請求の範囲において請求された本発明とその均等物から逸脱することなく各種の改作がなされ得ることは明らかである。文脈に他の場合が示されていない限り、請求の範囲においてなされた素子の例の数の言及は、一の例、若しくは、それ以上の例について言及されたものであったとしても、少なくとも記述された素子の例の数を必要とするが、そのことは記述された以上のその素子の例の数を有する構造又は方法を請求の範囲から排除することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
本発明のよりよい理解のために、同じものがどのようにしたら有効に実施できるかを示すために、例示目的で添付の以下の図面に対して言及する。
【図１】本発明の第１の側面に関する温度感知回路の略図である。
【図２】図１の回路の動作を説明するのに利用されるグラフである。
【図３】本発明の第２の側面の好適な実施の形態の温度測定機器の送信ユニットに内蔵された電子部品の構成を示すブロック図である。
【図４】送信ユニット内に含まれるＲＦ送信機回路の回路略図である。
【図５】温度測定機器の受信ユニットに内蔵された電子部品の構成を示すブロック図である。

Claims

マルチバイブレータを有する温度計であって、該マルチバイブレータが、関連する第１と第２の導通路を有するコンデンサであって、該第１と第２の導通路のうちの一方が前記コンデンサの充電のための導通路であり、他方が前記コンデンサの放電のための導通路であるものを具備すると共に、少なくとも第１と第２の抵抗も具備しており、前記第１と第２の抵抗が前記第１の導通路に接続されているが、前記第２の導通路に前記第１の抵抗は接続されるが前記第２の抵抗は接続されないことと、前記第１の抵抗が実質的に温度に依存しない抵抗値を有し、更に、前記第２の抵抗が温度と共に変動する抵抗値であって、その実効抵抗に関連する温度の関数によるものを有することを特徴とする温度計。
前記マルチバイブレータが、第３の抵抗を具備し該抵抗が実質的に温度に依存しない抵抗値であって、前記第１の抵抗の抵抗値の整数倍の抵抗値とほとんど同じであるものを有し、更に、前記第１と第２と第３の抵抗は前記コンデンサの第１の導通路において直列に接続され、一方、第２の導通路に前記第１の抵抗は接続されるが前記第２と第３の抵抗は接続されないことを特徴とする前記請求項１に記載の温度計。
基準温度における前記第２の抵抗の抵抗値が、前記第１の抵抗の抵抗値と実質的に同じであることを特徴とする前記請求項１に記載の温度計。
前記マルチバイブレータが、タイプ５５５のタイマー回路を具備することを特徴とする前記請求項１に記載の温度計。
前記第１の導通路が充電路であり、前記第２の導通路が放電路であることを特徴とする前記請求項１に記載の温度計。
マルチバイブレータを提供する工程であって、該マルチバイブレータが、関連する第１と第２の導通路を有するコンデンサであって、該第１と第２の導通路のうちの一方が前記コンデンサの充電のための導通路であり、他方が前記コンデンサの放電のための導通路であるものを具備すると共に、そして少なくとも第１と第２の抵抗も具備し、該第１と第２の抵抗が前記第１の導通路に接続され、一方、前記第２の導通路に前記第１の抵抗は接続されるが前記第２の抵抗は接続されず、前記第１と第２の抵抗が実質的に温度に依存しない抵抗値をそれぞれ有する工程と、
前記コンデンサの充電時間と放電時間を測定して、該充放電時間に基づいてセル関数の基準値を計算する工程と、
前記第２の抵抗を温度依存抵抗に置換する工程とからなる温度計の製造方法。
更に、前記温度依存抵抗と測定されるべき温度にある領域の間に熱平衡を確立する工程と、
前記コンデンサの充電と放電時間を測定して、セル関数の第２の値を計算する工程と、
前記セル関数の基準値と前記セル関数の第２の値に基づいて温度の値を計算する工程を具備することを特徴とする前記請求項６に記載の温度計の製造方法。
更に、前記セル関数の基準値を記憶する工程を具備することを特徴とする前記請求項６に記載の温度計の製造方法。
更に、前記セル定数である別の数値を記憶する工程を具備することを特徴とする前記請求項８に記載の温度計の製造方法。
マルチバイブレータを提供する工程であって、該マルチバイブレータが、関連する第１と第２の導通路を有するコンデンサであって、該第１と第２の導通路のうちの一方が前記コンデンサの充電のための導通路であり、他方が前記コンデンサの放電のための導通路であるものを具備すると共に、少なくとも第１と第２の抵抗も具備しており、該第１と第２の抵抗が前記第１の導通路に接続され、一方、前記第２の導通路に前記第１の抵抗は接続されるが前記第２の抵抗は接続されておらず、前記第１の抵抗が実質的に温度に依存しない抵抗値を有し、更に、前記第２の抵抗が温度と共に変動する抵抗値であって、温度の関数によるものを有し、基準温度における前記第２の抵抗の抵抗値が前記第１の抵抗の抵抗値と実質的に同じである工程と、
前記基準温度における前記コンデンサの充電時間と放電時間を測定して、セル関数の値を計算する工程と、
前記セル関数の値を記憶する工程とからなる温度計の製造方法。
関連する第１と第２の導通路を有するコンデンサであって、該第１と第２の導通路のうちの一方がコンデンサの充電のための導通路であり、他方がコンデンサの放電のための導通路であるものを具備すると共に、少なくとも第１と第２の抵抗も具備するマルチバイブレータであって、前記第１と第２の抵抗が前記第１の導通路において直列に接続されているが、前記第２の導通路に前記第１の抵抗は接続されるが前記第２の抵抗は接続されておらず、前記第１の抵抗が実質的に温度に依存しない抵抗値を有し、更に、前記第２の抵抗が温度と共に変動する抵抗値であって、その実効抵抗に関連する温度の関数によるものを有するマルチバイブレータと、
前記コンデンサの充電時間の長さと放電時間の長さを測定し、該放電時間の該充電時間に対する比を計算する手段と、
該比に対応する温度の値を計算するために前記比を受信機に送信する手段とからなる温度計。