JP4578683B2 - 複数コード酸素計較正素子 - Google Patents
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Description
(関連出願の相互参照)
この出願は、1998年9月29日に出願された米国特許仮出願第60/102,315号からの優先権を主張する。その仮出願の全体を本明細書で全ての目的のために参考として援用する。
【0002】
(発明の背景)
本発明は酸素計測センサに関し、特に、センサの特性に関するコード化された情報を含むパルス酸素センサに関する。
【0003】
パルス酸素計測は通常、種々の血液フロー特性を測定するために用いられる。種々の血液フロー特性は、動脈血におけるヘモグロビンの血液酸素飽和度、組織を供給する個々の血液拍動の体積および、患者の各心拍に対応する血液拍動の速度を含むが、これらに限定されない。これらの特性の測定は、血液が組織を灌流する患者の組織の1部を通じて光を通過させ、そのような組織における光の吸収を光電的に感知する非侵襲性センサを用いて達成されてきた。その場合、吸収される光の量が測定する血液成分の量を算出するために用いられる。
【0004】
組織を通過する光は、血液中に存在する血液成分の量を示す量だけ血液によって吸収される1以上の波長を有するように、選択される。組織を通過した透過光の量は、組織中の血液成分の変化量と、関連する光吸収に応じて変動する。血液酸素レベルを測定するために、そのようなセンサは、血液酸素飽和度を測定するための公知の技術に従って、2つの異なる波長で動作するように適合した光源とフォトディテクタとを備えていた。
【0005】
エンコードの機構が、米国特許第4,700,708号に示されている。その開示内容を本明細書中で参考として援用する。この機構は、最適酸素計プローブに関連し、光を血液灌流組織に向ける発光ダイオード(LED)の対を組織に吸収されなかった光を補足するためのディテクタとともに使用する。動作はLEDの波長を知ることに依存する。LEDの波長は変動し得るので、LEDの少なくとも1つの実際の波長に対応する抵抗器の値を有するコード化抵抗器がプローブ内に配置されている。酸素計計器がオンになると、まずコード化抵抗器に電流を印加し、抵抗器の値を決定するために電圧を測定し、それにより、プローブ中のLEDの波長の値を決定する。
【0006】
米国特許第5,259,381号は、実際の波長は、温度とともに変動し得るので、赤いLEDの波長の、コード化抵抗器によって提供されたコード化された値が不正確になり得ることを認識する。従ってこの特許は、実際の温度を測定するための温度センサを酸素計プローブに含むことを教示する。実際の温度とコード化された波長値とが得られると、ルックアップテーブルが参照されて、その温度についての実際のLEDの波長が決定される。
【0007】
LEDの特性に関するコード化された情報を格納する他の方法が、米国特許第4,942,877号に示されている。この特許は、デジタル情報を格納するために、EPROMメモリを使用することを開示している。そのEPROMメモリは、センサプローブから、離れた酸素計までに、並列あるいは直列に設けられ得る。
【0008】
プローブ特性をコード化する他の例は、他の分野にある。時々、複数の較正値が必要であり、これにより回路がより複雑になり、多くの導線が必要になる。Camino Laboratories, Inc.に譲渡された米国特許第4,446,715号には、圧力トランスデューサの特性に関するコード化された情報を提供するために、いくつかの抵抗器が使用されている。米国特許第3,790,910号は、個々のトランスデューサの特性を格納するROMを有する他の圧力トランスデューサを開示する。米国特許第4,303,984号は、PROMに格納されたデジタル特性情報を有する他のプローブを示す。そのPROMは、シフトレジスタを使用して、順次読み出される。
【0009】
通常、コード化素子は、プローブそのものに搭載される。例えば、米国特許第4,621,643号は、プローブ素子そのものに搭載されたコード化抵抗器を示す。さらに米国特許第5,246,003号はプローブそのものの上のプリントされた導体材料で形成されたコード化抵抗器を示す。
【0010】
いくつかのデバイスでは、患者に取り付けられるデバイスにケーブルによって接続される電気的コネクタが、コード化素子を含む。例えば、米国特許第3,720,199号は、カテーテルとコンソールとの間にコネクタを有する大動脈内バルーンカテーテルを示す。コネクタは、特定のバルーンの置換容積(volumetric displacement)を反映して選択された値を有する抵抗器を含む。米国特許第4,684,245号は、光ファイバーと、プロセッサに接続された電気的ワイヤとの間のモジュールを有する光ファイバーカテーテルを開示する。そのモジュールは、光信号を電気信号に変換し、較正信号を格納するメモリを含む。これにより、モジュールとカテーテルとが、プロセッサから切り離されて、再度の較正を必要とすることなく、異なるプロセッサとともに使用することができる。
【0011】
いくつかの用途では、2本だけの導線を使用して、異なる値についての複数の独立したコードを提供することが望ましい。これにより、従来との互換性、または他の製造者のプローブとの互換性が確保され得る。例えば、Nellcor Puritan Bennettは、赤いLEDの既知の波長を示す信号を提供するために、エンコードされた較正抵抗器を有するプローブを生産している。その信号を酸素計が読みこむことにより、動脈酸素飽和度の算出に使用する適切な較正係数を酸素計が選択することが可能になる。そのようなNellcorタイプのセンサを修正して、複数の独立したコードを提供するための1つのアプローチは、異なる特性を示すために異なる範囲の抵抗器を使用することである。例えば、Ohmeda Systemsは、第1の範囲の抵抗器を再使用可能なセンサとして使用し、第2の範囲の抵抗器を使い捨てのセンサとして使用していると見られる。これにより、1つの抵抗器が本質的に最上位ビットにセンサのタイプをエンコードし、その値の最下位ビットとともに用いられる較正カーブを次に示す。Marquetteは、センサのタイプを示す抵抗の存在を用いるセンサとモニタを生産していると見られる。抵抗が存在しないことは、Marquetteのセンサを示す。他のセンサは、3つのピンを使用して複数の値を読みこむと見られる。
【0012】
米国特許第5,645,059号は、コード化されたデータを離れた分析器に提供する変調信号を使用することを教示している。米国特許第5,429,129号は、分析器による読み込みの試みに応答して、特定の電圧値を生み出す電圧調整器の使用を開示している。
【0013】
(発明の要旨)
本発明は、従来との互換性のあるエンコード素子を提供し、そのエンコード素子は、古い分析器には第1の信号に応答して1つのコード化された値を供給し、かつ、新しい分析器またはモニタには、第2のコード化された値を供給し得る。両方のコード化された値は、現存するプローブまたはセンサと互換性のある同じ第1の導線および第2の導線を通じて供給され、エンコード素子は、抵抗器または他の分離した部品、組み合わせ、部品群、集積回路、または任意の他のエンコード機構であってもよい。
【0014】
1つの実施形態では、第1の電圧レベルがエンコード素子から第1の電流を生成し、一方、第2の電圧レベルが第2のコード化された値を生成する。この実施形態の1つの変形では、ツェナー値を超える高レベルの電圧が供給された場合にツェナーダイオードがアクティブ化されて、第2の抵抗を接続するか、または単に抵抗器をバイパスする。より低い電圧が供給された場合、分析器は、古いタイプのセンサについて見込まれる抵抗のみを検知する。
【0015】
第2の実施形態では、古い分析器からのDC電流に応答して、第1のコード化された値が供給される。第2のコード化された値が、新しい分析器からのAC信号に応答して供給される。さらに他の実施形態では、AC駆動モードにおける共振回路の形態で、コード化された値が供給される。印加される周波数を変化させることにより、最高の電圧をもたらす周波数、すなわち、共振周波数が見出される。このようにして、コード化された値が、選択された共振周波数の値中に供給される。
【0016】
他の実施形態では、第2のコード化された値が、同じ2本の導線を通じてある期間の後に供給され、第1の値は、その期間が経過する前に供給される。その期間が、古い分析器に使用された期間に対応するように選択された場合、従来への互換性が確保される。1つの実施形態では、サーミスタが用いられ、そのサーミスタは、電流が印加される時間がたつにつれてだんだん熱くなり、最終的に第2のコード化抵抗器に切り替える。
【0017】
さらに他の実施形態では、第1のコード化された値が古い分析器からのDC電流に応答して供給され、第2のコード化された値が新しい分析器からの入力デジタルコードに応答して、同じ2本の導線を通じて供給される。
【0018】
1つの実施形態では、いくつかの古い分析器は較正抵抗器を異なる極性で駆動し得るので、新しいコード化素子は、第1のコード化された値を判定するための駆動信号の極性に関わりなく所望の値を供給するように互換性を有する。
【0019】
1つの実施形態では、従来技術の酸素計では使用されない第3の導線が使用される。多くの従来技術の酸素計は、使用されない2つの追加のピンのための場所を有していた。それらのピンの1つを使用することにより、どのコード化された値が元の2本の導線にまたがって供給されたかを切り替えるために制御信号を送信することができる。あるいは、3つのエンコードされた値がその3本の導線を通じて供給され得る。
【0020】
本発明の性質および利点をより完全に理解するために、添付の図面とともに以下の説明を参照すべきである。
【0021】
図1Aは、本発明に従う較正素子56を組み込んだパルス酸素計システムのブロック図である。較正素子は、センサ50の一部であり、センサ50はまた、従来技術と同様に、検出器54とともに赤色および赤外線LED52を含む。
【0022】
読み出し回路60は、較正素子56に接続された2本の導線51、53にまたがる複数のコード化された値を読み出すために設けられる。1つの値は、従来技術と同様に、酸素飽和度の計算のための係数に依存する適切な波長を決定するために、ルックアップテーブル62に供給される。次に、他の値は、コントローラ64によって実行される他の計算に入力(例えば、係数)を供給するために、他のルックアップテーブル63に供給される。これらの追加の計算は、システムの性能および/または安全性を高め得る。
【0023】
コントローラ64は、駆動回路66に信号を供給し、LED52に供給される駆動電流の大きさを制御する。
【0024】
従来技術と同様に、検出器54は、増幅器72およびフィルタ74を介して、A/D変換器76に接続される。これにより、受け取った信号の強度範囲を最適化するよう駆動電流を調整するためにコントローラ64が使用するフィードバック経路が形成される。適切な動作のために、信号は回路が採用するアナログ範囲内でなければならない。信号はまた、十分、A/D変換器76の範囲内であるべきである(例えば、適用されるべき1つのルールは、赤色およびIR信号の両方が、変換器76の読み出し全スケールの40%と80%の間に入るように、LED駆動と増幅器ゲインを調整することである)。これは、赤色LEDと赤外線LEDとの両方について、正確な、独立した設定を必要とする。本発明は、較正素子のコード化に含まれる他のセンサの特性に基づいて、LEDの設定を変更し得る他のフィードバック経路を考慮する。
【0025】
図1Bは、現存する分析器における従来技術の読み出し回路を示す。本発明によるコード化素子をそのような従来技術の回路によって読み出し可能にすることは望ましい。従来技術のセンサのRcal抵抗器12は、プローブのピン1とピン6との間に接続される。読み出し回路は、ピン1またはピン6のいずれかをグランドに接続し、他のピンをノード14に接続する。ノード14は、抵抗器R1を介して電圧源Vrefに接続される。ノード14はまた、演算増幅器16の負入力に接続される。増幅器16の入力は、グランドに接続される。このように、分圧器回路がRcal抵抗器およびR1抵抗器により構成され、生成された電圧は増幅器16の負入力に印加される。増幅器16の正入力は、アナログ電圧Vcalであり、これはRcalの値に対応する。Vcalは、次に、図1Aのルックアップテーブル62のような係数のテーブルインデックス付けに使用され得る値を供給するために、D−A変換器(図示されず)に印加される。VrefおよびR1の値は、モニタごとに異なり得、Rcalの両端の極性は異なり得る。この極性は、単なるRcal抵抗器では問題にならないが、Rcalに並列に配置され、従来との互換性を有するように設計された新しい回路にとっては問題になる。
【0026】
図3A〜3Fは、ツェナーダイオードを用いた2以上の独立な値のためのコード化システムを実現する回路のいくつかの実施形態である。図3Aに示されるように、従来技術と同様の較正抵抗器90が2本の導線92と94との間に設けられている。しかしながら、ツェナーダイオード96も追加されている。図3Bは、ツェナーダイオード98が抵抗器90に直列でなく並列に配置されている変形例を示す。図3Cの実施形態では、第2の抵抗器100がツェナーダイオード98に直列に追加されている。ツェナーダイオードは「非線形」素子の例である。「非線形」素子とは、素子に印加される測定信号に線形に対応しない信号を生成する素子である。
【0027】
図3Cに示されるタイプの回路について、1つの可能な読み出しプロセスは図2Aに示されるようであり得る。ピン92と94との間に印加される、ツェナー98の電圧VZよりも低い正の電圧80について、電流は抵抗器90からのものが見込まれるであろう。ツェナー電圧VZよりも高い印加電圧86について、電流は抵抗器90および抵抗器100の両方に依存するであろう。ツェナー電圧よりも低い電圧80とツェナー電圧よりも高い電圧86との両方において電流を測定し、かつツェナー98の電圧VZも知ることにより、抵抗器90および抵抗器100の両方の値が計算され得る。多くの電圧でテストすることにより、ツェナー電圧VZが決定され得る。従って、もし設計者が選択すれば、ツェナー電圧VZは第3の独立した値を規定するために使用され得る。上述したのと同様の方法が、図3A〜3Eに示されるタイプの回路を駆動し、それらの回路で採用されている種々のツェナー電圧および抵抗を導出するために容易に使用され得る。例えば、図3Aにおいて、VZおよび抵抗器90の抵抗を決定するために、VZよりも低い、および高い種々の正の電圧が、ピン92とピン94との間に印加され得る。図3Bにおいて、VZおよび抵抗器90の抵抗を決定するために、VZよりも低いものと高いものとの両方の種々の正の電圧が、ピン94とピン92との間に印加され得る。
【0028】
図3Dおよび3Eは、逆極性の背中合わせのツェナーを示す。これらの回路は、次の点を除いて図3Bおよび3Cのものと類似である。すなわち、これらの回路は、従来との互換性を有するように設計されており、そのため、米国特許第4,621,643号に教示されるような、または図1Bに示されるような回路抵抗にエンコードされた、1つだけのコード化された値を読み出すように設計された古い酸素計とともに動作する。そのような古い酸素計のいくつかは、導線92を正の極性で駆動し得、他のものは、導線94を正の極性で駆動し得る。図3Dにおいて、2つの背中合わせのツェナーダイオードZD1およびZD2が使用される。図3Eにおいて、2つの背中合わせのツェナーダイオードZD1およびZD2が第2の抵抗器110とともに使用される。これらの回路の応答は、印加される電圧駆動の極性に関わらず同一であり得る。例えば、ZD1がZD2と同じ場合、ピン92と94との間のVZよりも低い任意の極性の電圧は、図3Dおよび3Eに示される両方の回路について、抵抗器90の抵抗を示す電流を生成する。VZよりも高い任意の極性の電圧は、図3Eの抵抗器90および抵抗器110の並列抵抗を示す電流を生成する。これらの両方の回路において、図3Cの回路と同様に、並列抵抗が検出されるまでピン92と94とにまたがって段階的に高い電圧を印加することにより、ツェナー電圧が決定される。
【0029】
図3Fは、従来の酸素計のための既知の極性で動作する実施形態を示す。ダイオード112は、ダイオードが逆方向バイアスされた場合に抵抗器114が検知されるのを防止する。このため、検知される抵抗は抵抗器90である。ダイオードが順方向バイアスされた場合、全抵抗は抵抗器90および抵抗器114の並列であり得、新たなコード化された値が与えられる。この実施形態は、VZよりも大きい電圧を供給する必要がないという利点を有する。図2Aおよび2Bは、図5Aに示される回路による較正素子の読み出し動作を示す。その回路は、抵抗器90および抵抗器128の独立した読み出しを可能にするために、キャパシタ126を使用する。第1の電圧レベル80がいくらかの時間印加されると、その回路は、従来技術のセンサおよび従来技術のモニタを使用した場合と同じ様態で、較正抵抗器90に対応する電流レベル82を生成する。電流レベル82は、抵抗器90の抵抗値に依存して、複数の電流レベル84のうちの1つであり得る。第2の値を検出するために、時刻T1において電圧は突然第2の電圧86に変化する。より高い電圧86は、新しいモニタまたは分析器によって供給され得る。電圧の変化の直後は、電流ピーク88は抵抗器90および抵抗器128の両方の値に依存する。キャパシタ126が新しい電圧まで充電するにつれ、電流はレベル89に低下する。レベル89は、抵抗器90の値および新しい電圧を表す。従って、電流ピーク88と電流89との値を比較することにより、抵抗器128の値が計算され得る。あるいは、両方の値は、図4Aおよび図4Bに示されるように、DCおよびAC励起に対するこの回路網の応答を比較することによって計算され得る。図4Aは、1つの時間間隔の間のDC電圧116の印加と、他の時間間隔の間のAC電圧120の印加とを示す。図4Bは、応答電流118(DC)および119(AC)を示す。DC動作の期間中、抵抗器90の値は、従来技術と同様に決定され得る。電流118は、抵抗器90の値のみに依存する。AC信号は、抵抗器90と同様に抵抗器128およびキャパシタ126をも介して電流を流し、全電流はDCの場合よりも大きくなるので、AC信号120に対するこの回路網の応答は異なる。抵抗器128の異なる値について、AC電流119の異なる値があり、抵抗器128の値を計算して第2の値をデコードすることが可能になる。図5Bに示されるように、抵抗器128は随意に省略され得、キャパシタ126および抵抗器90の値は、図4Aに示されるDC入力およびAC入力に応答して決定され得る。
【0030】
図5Cにおいて、インダクタンス130が抵抗器90に直列に配置される。インダクタは、DC電圧に対しては本質的に隠れているが、AC電圧に対してはインピーダンスを提供し、図4Aに示されるもののようなAC励起が印加された場合に、異なるインピーダンス値、従って異なるコードを与える。
【0031】
図5Dおよび5Eは、共振回路を加える。図5Dにおいて、キャパシタ132およびインダクタ134は、直列共振子を形成する。図5Eは、キャパシタ136とインダクタ138とを有する並列共振回路を示す。共振回路は、図4Aに示される方法とは少し異なった動作をする。DC抵抗は従来技術と同様に決定され、第1のエンコードされた値が決定される。第2の値は、共振周波数によってエンコードされる。異なるコードは、異なる共振周波数に割り当てられ得、第2のエンコードされた値を提供する。共振周波数は、テスト信号の周波数を見込まれる範囲にわたって掃引することにより見出され得る。この掃引の間、較正素子の応答は、共振周波数における上向きピークまたは下向きピークのいずれかであり、これは並列共振子が採用されているか直列共振子が採用されているかに依存する。このような応答は、図4Cに共振ピーク117として示されている。共振周波数はまた、較正素子のインパルス応答からも決定され得る。
【0032】
図6は、第1および第2のコードを区別するために時間を使用するさらに他のエンコードのアプローチを示す。示されるように、定電流140が期間142および引き続く期間144の両方の間、印加される。このようなアプローチでは、較正回路網に電力を連続的に印加する古い酸素計は、長時間経過後の応答を示す期間144中のコード化された値をサンプリングし、測定する。新しい酸素計は、初期の電源投入の際に期間142中に測定するか、または、測定前にある期間(例えば、図7に示されるサーミスタ154が冷却されるだけ十分に長い間)だけ電源をオフに切り替え得る。これにより、期間142において、特定の電圧値146をいくつかの可能な値148から選択することが可能になる。期間144において、特定の電圧150がいくつかの可能な電圧値152から結果として得られ得る。
【0033】
図6の方法を実現する回路の例が図7に示されている。NTC(負の温度係数)サーミスタ154が、抵抗器90に直列に接続される。最初は、回路は抵抗器90の抵抗とサーミスタ154の低温抵抗との和に等しい抵抗を有する。ある期間サーミスタ154に電流を流した後は、サーミスタは十分熱せられ、その抵抗が顕著に低下し、異なるコード化された値を与える。サーミスタは、サーミスタ154の高温抵抗と抵抗器90の抵抗との和が、従来技術における古いコードを正確に表わすように設計され得る。抵抗器90を抵抗器156に並列に接続したり、PTC(正の温度係数)サーミスタを使用したりするような、他の自明な変形例が可能である。
【0034】
図13は、時間依存回路の他のタイプを示す。この回路では、電圧が最初に印加された時に、キャパシタ186は充電されておらず、電流は抵抗器90と抵抗器182とのみを通じて流れる。電圧が印加され続けると、キャパシタ186は最終的にFET188のゲート閾値電圧を超えるまで充電される。この時点でFETがオンになり、抵抗器184を回路内に接続する。すると電流は増加し、第2の値をデコードすることが可能になる。
【0035】
図8は、電流調整器158が抵抗器90に並列に追加される他の実施形態を示す。図9は、印加電圧に対する、結果として得られる電流を示す。電流/電圧曲線の第1の領域160において、電流が増加するにつれ、抵抗器90の両端の電圧は線形に増加し得る。この範囲は、固定電流をピン92または94に供給するための古い酸素計を使用して、抵抗器90のエンコードされた値を読み出すために使用され得る。定電流調整器158をアクティブ化するに十分高い電圧を供給することにより、増分電流162が電流調整器158により追加され、従って全電流は今や、その電圧における抵抗器90から見込まれる電流と、電流調整器158の固定電流との和である。アクティブ化を超えて発生する電流の大きさの変化を検知することにより、第2のエンコードされた値が得られ得る。従って、新しい酸素計が使用する第2のエンコードされた値は、最大電流の値をエンコードする。異なる電流調整器の設計を使用することにより、異なる値をエンコードするために、異なる可能な最大電流値164が使用され得る。
【0036】
図10は、集積回路(IC)166が抵抗器90に並列に配置される他の実施形態を示す。IC166は、ほとんど任意の所望の応答を有するようにされ得る。1つの例は、古い酸素計において、抵抗器90を読み出すための標準電圧にICが応答しないようにすることである。しかしながら、特定のデジタルコードを表わすシーケンスにおいて電圧がオンまたはオフに切り替えられると、その電圧はIC166からの反応をトリガーし得、その反応は、IC自身の出力コードまたは何らかの他の応答であり得る。さらに、ICは、本明細書で説明される任意のアナログ回路応答を模倣するようにされ得る。IC66は、デジタル回路、アナログ回路、またはそれらの組み合わせを含み得る。
【0037】
図11は、抵抗器90の値を測定する際に、酸素計プローブ中のLEDにパルスを加えることなく(すなわち、LED駆動線168および170はともに高インピーダンスであり、従ってトランジスタ172またはトランジスタ174のいずれかをオンにするための信号が印加されない)抵抗器90の値が読み出される、さらに他の実施形態を示す。LEDに一旦パルスが加えられると、LED駆動信号は、正の端および負の端の両方で、導線168および導線170に印加される。これらのパルスは、あるいは、LEDがパルス信号により駆動される場合に第2の抵抗器176が抵抗器90に並列に配置されるように、トランジスタ172および174をアクティブ化させる。このように、LEDパルス駆動信号が印加される場合に、異なる時刻に第2のコード化された値を供給することにより、2つのコード化された値が供給される。このシステムはまた、赤色および赤外線LEDにパルスが加えられた場合に、異なる第2の値を供給するために拡張され得る。
【0038】
図12Aおよび12Bは、2つのエンコードされた値が、抵抗器90によって表わされる実数のインピーダンス値および、直列のインダクタ178と並列のキャパシタ180とにより供給される虚数のインピーダンス値として供給される実施形態を示す。図12Aに模式的に示される回路の物理的な実施形態は、図12Bに示されるようなコイル182によって提供され得る。コイル182は、3つのインピーダンス素子の全てを提供する。インダクタンス178は、コイルの巻き線により直接的な様態で提供され得る。キャパシタンス180は、巻き線のコイルの間の容量性結合により提供され、抵抗90は巻き線の抵抗により提供される。
【0039】
上述した実施形態はそれぞれ、エンコード素子に接続された2本の導線を含んでいた。他の実施形態はさらに、エンコード素子に接続された第3の導線を含み、その第3の導線が、新しい機器とともに利用された場合に追加の情報を提供する、従来との互換性を有するエンコード素子のコストおよび複雑さを低減し得るという利点を有する。さらに、いくつかの従来技術のセンサは、コネクタの全てのピンを使用しておらず、あるピンは予備として取ってある。従って、それらの予備のピンの1つを新しいセンサ中のエンコード素子のための第3の導線として利用することにより、従来との互換性が達成され得る。従来技術の酸素計モニタは、第3の導線を使用せず、従って、従来との互換性が達成される。このような実施形態は、図14および15に示される。
【0040】
図14は、図10のデバイスに類似のエンコード素子を示す。このエンコード素子では、読み出し抵抗器90が、導線92と94との間の集積回路(IC)166と並列である。図14の実施形態では、IC166は、追加の導線190に電圧が接続されない限り、抵抗器90よりもずっと高い端子インピーダンスを示すように設計される。古い機器では、導線190は機器との接続を有さず、エンコード素子は単に抵抗器90として見られる。新しい機器は導線190に接続を提供し、イネーブル電圧を導線190に時々印加し、IC166に格納されたエンコードされた情報を示すパルス列をIC166に発信させる。図10の実施形態よりも図14の実施形態が優れている点は、新しい機器は、高い制御電圧を発生することのできる高電圧電源を有する必要がないことである。一方、図10の実施形態では、IC166がいかなる古い機器によってもオンにされないために、IC166の機能をオンに切り替えるために必要な電圧は、古い機器により導線92および94に通常印加されるいかなる電圧よりも高い必要がある。
【0041】
図14に示される同じ原理は、種々のアナログ回路構成にも適用され得る。1つの例として、図15は、図3Cのエンコード素子に類似のデバイスを示す。FETスイッチ290は、導線190に電圧が印加されない場合に非常に高いインピーダンスを示し、新しい機器により導線190に適切な電圧を印加することによって、低インピーダンス状態に切り替えられるように設計される。このように、古い機器は抵抗器90のみを検知する一方、新しい機器は、導線190に印加される電圧に依存して、抵抗器90と100との組み合わせ効果、あるいは抵抗器90の単独を検知する。
【0042】
図16は、本発明による、エンコード素子または較正素子の配置のための異なる位置を示す図である。図16は、エンコード素子204を有するセンサ202を示す。このセンサは、アダプタ206に接続され得、あるいは、エンコード素子208がアダプタ206に含まれ得る。コネクタ210は、モニタ216に接続される他のケーブル214にケーブル212を接続することが示されている。さらに他の実施形態では、エンコード素子218はコネクタ210に含まれ得る。他の実施形態では、2つのエンコードされた値が2つの異なる配置から生成され得る。例えば、従来技術のエンコード素子は、センサ202中の素子204であり得、第2のエンコードされた値は、エンコード素子208または218から供給され得る。
【0043】
当業者に理解されるように、本発明は、本発明の不可欠な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施され得る。例えば、抵抗の一方の側を第3のピンに接続し、他方の側を例えば図3〜10または12Aの回路に沿う任意の位置に接続することにより、他の3ピンの実施形態が提供され得る。修正された図12Aに対応する、3ピンおよび余剰の抵抗器の実施形態を有する例が図17に示されている。理解されるように、さらなるピン97および抵抗器99が追加されている。従って、上述した説明は、上述した特許請求の範囲に記載される発明の範囲を例示するために意図されており、限定するためではない。
【図面の簡単な説明】
【図1A】 本発明を組み込む酸素計システムのブロック図である。
【図1B】 単にRcalコード化抵抗器を読み出す従来技術の読み出し回路の図である。
【図2A】 異なるコード化された値を選択する2つの電圧レベルを示すグラフである。
【図2B】 2つの異なるコード化された値の読み出しを容易にするために電流遷移情報を使用することを示すグラフである。
【図3A】 図2Aに示される2つの電圧レベルに応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図3B】 図2Aに示される2つの電圧レベルに応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図3C】 図2Aに示される2つの電圧レベルに応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図3D】 図2Aに示される2つの電圧レベルに応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図3E】 図2Aに示される2つの電圧レベルに応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図3F】 図2Aに示される2つの電圧レベルに応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図3G】 図3Cまたは図3Eに示される回路の動作を示すグラフである。
【図4A】 DC電圧および時間依存の電圧に応答して供給される2つのコード化された値を表すグラフである。
【図4B】 DC電圧および時間依存の電圧に応答して供給される2つのコード化された値を表すグラフである。
【図4C】 DC電圧および時間依存の電圧に応答して供給される2つのコード化された値を表すグラフである。
【図5A】 図4A〜Cに示される電圧に応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図5B】 図4A〜Cに示される電圧に応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図5C】 図4A〜Cに示される電圧に応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図5D】 図4A〜Cに示される電圧に応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図5E】 図4A〜Cに示される電圧に応答する回路実装の実施形態を示す図である。
【図6】 電流の印加時間に基づいて異なるコード化された値を選択することを表すグラフである。
【図7】 図6のシステムを実装する回路の実施形態を示す図である。
【図8】 第2のコード化された値を生成するために電流源を使用する実施形態を示す回路図である。
【図9】 図8の回路の動作を示すグラフである。
【図10】 第2のエンコードされた値のためのコード化された値を供給するためにICを使用した実施形態の回路図である。
【図11】 第1のエンコード素子を接続するために使用される同じ2本の導線を通じて第2のコード化された値を供給するための状態機械アプローチを実装する回路を示す図である。
【図12A】 2つのコード化された値が複素インピーダンスの実数部と虚数部とによって供給される実施形態を示す回路図である。
【図12B】 2つのコード化された値が複素インピーダンスの実数部と虚数部とによって供給される実施形態を示すレイアウト図である。
【図13】 電流の印加時間に基づいて異なるコード化された値を選択するための他の回路の回路図である。
【図14】 3本の導線の実施形態を示す回路図である。
【図15】 3本の導線の実施形態を示す回路図である。
【図16】 センサ、アダプタまたはコネクタ中のエンコーダ配置を示す図である。
【図17】 図12Aを修正した3本の導線の実施形態を示す図である。
Claims (38)
- 光を放射する発光体と、
該放射された光を検出する検出器と、
少なくとも2つのインピーダンス値を提供する較正素子と、
該検出された光の特性を分析する分析器であって、該分析器は、該較正素子に接続されており、該分析器は、該較正素子から該提供された1つのインピーダンス値を受信することと、該較正素子のインピーダンス値を読み出すための電圧を該較正素子に提供することとを行うように構成されている、分析器と
を備える、酸素計センサであって、
該分析器によって提供される該電圧は、所定の電圧未満の第1の範囲内の電圧と、該所定の範囲を超える第2の範囲内の電圧とのうちの1つであることが可能であり、
該較正素子は、該提供された電圧が該第1の範囲内にある場合には、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第1の値を提供し、該提供された電圧が該第2の範囲内にある場合には、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第2の値を提供し、
該分析器に提供される該インピーダンス値は、該検出された光の該特性の所望の値を示し、該分析器は、該所望の値に等しい特性を有する光を放射するように該発光体を制御する、センサ。 - 少なくとも3つのインピーダンス値が生成される、請求項1に記載のセンサ。
- 光を放射する発光体と、
該放射された光を検出する検出器と、
第1の制御信号または第2の制御信号のうちの1つに応答して、少なくとも2つのインピーダンス値を提供する較正素子と、
該検出された光の特性を分析する分析器であって、該分析器は、該較正素子に接続されており、該分析器は、該較正素子から該提供された1つのインピーダンス値を受信するように構成されている、分析器と
を備える、酸素計センサであって、
該較正素子は、該第1の制御信号または第2の制御信号のうちの1つが該較正素子のインピーダンス値を読み出すための第1の信号に等しい場合には、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第1の値を提供し、該第1の制御信号または第2の制御信号のうちの1つが該第2の信号を提供するように較正素子を制御するための第2の信号に等しい場合には、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第2の値を提供し、
該分析器に提供される該インピーダンス値は、該検出された光の該特性の所望の値を示し、該分析器は、該所望の値に等しい特性を有する光を放射するように該発光体を制御する、センサ。 - 前記較正素子は、
前記提供された電圧が前記第1の範囲内にある場合に前記第1の値を生成するように構成された第1のエンコード素子と、
該提供された電圧が前記第2の範囲内にある場合に前記第2の値を生成するように構成された第2のエンコード素子と
を含む、請求項1に記載のセンサ。 - 前記第1のエンコード素子は抵抗器を含み、
前記第2のエンコード素子は非線型素子を含む、請求項4に記載のセンサ。 - 前記非線型素子は、第1のツェナーダイオードを含む、請求項5に記載のセンサ。
- 前記ツェナーダイオードは、前記抵抗器に直列である、請求項6に記載のセンサ。
- 前記ツェナーダイオードは、前記抵抗器に並列である、請求項6に記載のセンサ。
- 前記第2のエンコード素子は、前記ツェナーダイオードに直列の第2の抵抗器を含む、請求項6に記載のセンサ。
- 前記第2の素子は、
前記第1のツェナーダイオードに直列であり、該第1のツェナーダイオードと逆の構成を有する第2のツェナーダイオードをさらに含む、請求項6に記載のセンサ。 - 前記第2の素子は、前記ツェナーダイオードに直列の第2の抵抗器をさらに含む、請求項10に記載のセンサ。
- 前記第1の素子は第1の抵抗器であり、
前記第2の素子は、該第1の抵抗器に並列のダイオードと、該ダイオードに直列の第2の抵抗器とを含む、請求項1に記載のセンサ。 - 前記第1の素子は抵抗器であり、前記第2の素子は該抵抗器に結合された電流源を含む、請求項4に記載のセンサ。
- 前記第1の信号は、時間とともに第1の様態で変化し、前記第2の信号は、時間とともに第2の異なる様態で変化する、請求項3に記載のセンサ。
- 前記第1の信号はDC信号であり、前記第2の信号は時間とともに変化する、請求項3に記載のセンサ。
- 前記第1のエンコード素子は抵抗器を含み、
前記第2のエンコード素子は該抵抗器に並列のキャパシタを含む、請求項1に記載のセンサ。 - 前記キャパシタに直列の第2の抵抗器をさらに含む、請求項16に記載のセンサ。
- 前記第1のエンコード素子は抵抗器を含み、
前記第2のエンコード素子はインダクタを含む、請求項15に記載のセンサ。 - 前記第1のエンコード素子は抵抗器を含み、
前記第2のエンコード素子は共振回路を形成する部品配置を含む、請求項15に記載のセンサ。 - 前記第1のエンコード素子は抵抗器を含み、
前記第2のエンコード素子は、該抵抗器に直列の、インダクタとキャパシタとの並列配置を含む、請求項15に記載のセンサ。 - 前記第1のエンコード素子は抵抗器を含み、
前記第2のエンコード素子は、該抵抗器に並列の、インダクタとキャパシタとの直列配置を含む、請求項15に記載のセンサ。 - 前記較正素子は、キャパシタンス、インダクタンスおよび抵抗を有する単一の部品を含む、請求項15に記載のセンサ。
- 光を放射する発光体と、
該放射された光を検出する検出器と、
少なくとも2つのインピーダンス値を提供する較正素子と、
該検出された光の特性を分析し、該較正素子のインピーダンス値を所定の時刻に読み出すための第1の信号を該較正素子に出力する分析器であって、該分析器は、該較正素子に接続されており、該分析器は、該較正素子から該提供された1つのインピーダンス値を受信するように構成されている、分析器と
を備える、酸素計センサであって、
該較正素子は、
該所定の時刻が第1の時間内にある場合には、該第1の信号に応答して、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第1の値を生成するように構成された第1のエンコードデバイスを含み、
該較正素子は、
該所定の時刻が第2の時間内にある場合には、該第1の信号に応答して、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第2の値を生成するように構成された第2のエンコードデバイスを含み、
該分析器に提供された該インピーダンス値は、該検出された光の該特性の所望の値を示し、該分析器は、該所望の値に等しい特性を有する光を放射するように該発光体を制御する、センサ。 - 前記第1のエンコードデバイスおよび前記第2のエンコードデバイスは、
第1の抵抗器と、
第2の抵抗器であって、該第2の抵抗器は、ある期間電流を供給された後に、前記第1の値と前記第2の値との間を切り替わるように構成されたサーミスタを含む、第2の抵抗器と
を含む、請求項23に記載のセンサ。 - 前記第1のエンコードデバイスおよび前記第2のエンコードデバイスは、
第1の抵抗器および第2の抵抗器と、
該第2の抵抗器に接続されたトランジスタと、
該トランジスタをある期間の後にオンにさせるためのキャパシタであって、該トランジスタに接続されたキャパシタと
を含む、請求項23に記載のセンサ。 - 前記較正素子は、
前記提供された電圧が前記第2の範囲内にある場合に前記第2の値を提供し、該提供された電圧が前記第1の範囲内にある場合に前記第1の値を提供するように構成された集積回路を含む、請求項1に記載のセンサ。 - 少なくとも3つのインピーダンス値が生成される、請求項26に記載のセンサ。
- 前記第1の値および前記第2の値は、前記提供された電圧の極性とは独立して生成される、請求項26に記載のセンサ。
- 前記第1の値および前記第2の値は、前記制御信号の極性とは独立して生成される、請求項3に記載のセンサ。
- 前記第1の信号および前記第2の信号のうちの1つは、定電流を本質的に含む、請求項29に記載のセンサ。
- 前記第1のエンコード素子は受動素子であり、前記第2のエンコード素子は能動素子である、請求項4に記載のセンサ。
- 前記第2のエンコード素子は、ACインピーダンスを含む、請求項4に記載のセンサ。
- 光を放射する発光体と、
該放射された光を検出する検出器と、
少なくとも2つのインピーダンス値を提供する較正素子と、
該検出された光の特性を分析し、該較正素子のインピーダンス値を読み出すための駆動信号を提供する分析器であって、該分析器は、該較正素子に接続されており、該分析器は、該較正素子から該提供された1つのインピーダンス値を受信するように構成されている、分析器と
を備える、酸素計センサであって、
該較正素子は、該駆動信号がDC信号である場合に第1のインピーダンス値を生成するように構成された第1のエンコード素子を含み、
該較正素子は、該駆動信号がAC信号である場合に第2のインピーダンス値を生成するように構成された第2のエンコード素子を含み、
該第1のエンコード素子は、該DC信号の極性に関わらず該第1のインピーダンス値を生成するように構成されており、
該分析器に提供される該インピーダンスは、該検出された光の該特性の所望の値を示し、該分析器は、該所望の値に等しい特性を有する光を放射するように該発光体を制御する、センサ。 - 前記第1のエンコード素子は、前記駆動信号が第1の電圧または電流レベルである場合に前記第1のインピーダンス値を生成し、
前記第2のエンコード素子は、該駆動信号が第2の電圧または電流レベルである場合に前記第2のインピーダンス値を生成する、請求項33に記載の酸素計センサ。 - 前記較正素子は、
前記第1の値を提供するように構成された第1のエンコードデバイスと、
前記制御信号に応答して前記第2の値を提供するように構成された第2のエンコードデバイスと
を含む、請求項3に記載の酸素計センサ。 - 前記少なくとも2つのインピーダンス値は、第3の値を含む、請求項3に記載の酸素計センサ。
- 光を放射する発光体と、
該放射された光を検出する検出器と、
少なくとも2つのインピーダンス値を提供する較正素子と、
該検出された光の特性を分析する分析器であって、該分析器は、該較正素子に接続されており、該分析器は、該較正素子から該提供された1つのインピーダンス値を受信するように構成されている、分析器と
を備える、酸素計センサであって、
該較正素子は、抵抗器と、該抵抗器に並列接続された集積回路とを備え、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第1の値は、該抵抗器からの値に対応し、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第2の値は、デジタルコードであり、
該第1の値は、駆動信号に応答して生成され、該駆動信号は、該較正素子のインピーダンス値を読み出すために該分析器によって出力され、該第2の値は、該集積回路に接続された第3の導線上の制御信号に応答して生成され、該制御信号は、該集積回路を制御するために該分析器によって出力され、
該分析器に提供された該インピーダンス値が、該検出された光の該特性の所望の値を示し、該分析器は、該所望の値に等しい特性を有する光を放射するように該発光体を制御する、酸素計センサ。 - 光を放射する発光体と、
該放射された光を検出する検出器と、
少なくとも2つのインピーダンス値を提供する較正素子と、
該検出された光の特性を分析する分析器であって、該分析器は、該較正素子に接続されており、該分析器は、該較正素子から該提供された1つのインピーダンス値を受信するように構成されており、該分析器は、該較正素子のインピーダンス値を読み出すためのAC駆動信号と、該較正素子のインピーダンス値を読み出すためのDC駆動信号とのうちの1つを該較正素子に提供するように構成されている、分析器と
を備える、酸素計センサであって、
該較正素子は、抵抗器と、該抵抗器に並列接続された集積回路とを備え、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第1の値は、該抵抗器からの値に対応し、該少なくとも2つのインピーダンス値のうちの第2の値は、デジタルコードであり、
該第1の値は、該分析器からの該DC駆動信号に応答して生成され、該第2の値は、該分析器からの該AC駆動信号に応答して生成され、
該分析器に提供された該インピーダンス値が、該検出された光の該特性の所望の値を示し、該分析器は、該所望の値に等しい特性を有する光を放射するように該発光体を制御する、酸素計センサ。
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