(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーダおよびデータ・キャリアを備え，負荷変調を用いて上記データ・キャリアから上記リーダへ無線データを送信するように構成され，かつ上記リーダから上記データ・キャリアへの無線誘導電力送信を用いて上記データ・キャリアを給電するように構成されるモニタリング装置であって，上記データ・キャリアは受信コイル，データ処理手段，整流手段，スイッチ手段および少なくとも２つのキャパシタを備え，上記データ処理手段，スイッチ手段およびキャパシタ（複数）が，第１の構成においては上記キャパシタ（複数）が並列に結合され，第２の構成においては上記キャパシタ（複数）が直列に結合され，これによって上記データ・キャリアの負荷変調が上記第１および第２の構成間のスイッチングによって達成されるように接続されており，上記キャパシタ（複数）がさらに上記無線誘導電力送信から受信したエネルギーを保存し，かつ上記データ処理手段を給電するように配置されている，
モニタリング装置。
【請求項２】
上記第２の構成において，上記キャパシタ（複数）が直列に結合され，かつ上記データ処理手段が上記キャパシタ（複数）の一つと並列に結合される，請求項１に記載のモニタリング装置。
【請求項３】
第１のキャパシタおよび第２のキャパシタを備え，上記第２のキャパシタのキャパシタンスに対する上記第１のキャパシタのキャパシタンスの割合が０．５から２の範囲にある，請求項１または２に記載のモニタリング装置。
【請求項４】
上記整流手段が，第１および第２のダイオード，ならびに第１および第２のスイッチング・トランジスタから構成され，上記受信コイルの第１端が第１のスイッチング・トランジスタのコレクタ，第２のスイッチング・トランジスタのベース，および第１のダイオードの入力に接続され，上記受信コイルの第２端が上記第２のスイッチング・トランジスタのコレクタ，第１のスイッチング・トランジスタのベースおよび上記第２のダイオードの入力に接続されている，請求項１から３のいずれか一項に記載のモニタリング装置。
【請求項５】
900ｋＨｚから1100ｋＨｚの範囲において上記リーダとデータ・キャリアの間の誘導リンクの動作周波数が実現されるように構成されている，請求項４に記載のモニタリング装置。
【請求項６】
モニタリング装置内のデータ・キャリアを動作させる方法であって，
上記データ・キャリア内に第１のキャパシタ，第２のキャパシタ，スイッチング手段およびデータ処理手段を設け，
上記第１のキャパシタ，第２のキャパシタ，スイッチング手段およびデータ処理手段を接続し，かつ上記キャパシタ（複数）が並列に接続される第１の構成となるように上記スイッチング手段を動作させ，
上記キャパシタ（複数）が直列に接続される第２の構成となるように上記スイッチング手段を動作させ，
無線誘導電力送信から受信されるエネルギーを用いて上記キャパシタ（複数）にエネルギーを保存し，
上記保存されたエネルギーを用いて上記データ・キャリア上の上記データ処理手段を給電し，
上記データ・キャリアから送信されるデータ・ストリームを用いて上記２つの構成間を時間的にスイッチングする，
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はモニタリング装置（監視装置）に関する。この発明はより詳細には無線データおよび電力送信（wireless data and power transmission）に適するリーダ（reader）およびデータ・キャリア（data carrier）を備えるモニタリング装置に関する。この発明はまた，モニタリング装置を動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願の開示において，モニタリング装置は，人間のユーザによって装着されるように設計され，上記ユーザの特定の医学的状態の連続監視に用いられる小型機器として理解される。上記モニタリング装置はリーダ（読取装置）およびデータ・キャリアからなる。
【０００３】
上記リーダは，電池のような内部一次エネルギー源（internal primary energy source）によって給電される。上記データ・キャリアはそれ自身では一次エネルギー源を持たない。このため，上記データ・キャリアは上記リーダからの無線誘導電力送信（wireless inductive power transmission）に依存する。上記リーダ内の送信コイルおよび上記データ・キャリア内の受信コイルが連携して磁気的結合インダクタ（magnetically coupled inductors）を形成する。基本原理は上記送信コイル内の交流の生成に依拠する。上記送信コイル内の電流が上記受信コイル内に電流を誘発する磁場を生成する。上記受信コイル内の電流は上記データ・キャリアを給電するために用いられる。
【０００４】
上記データ・キャリアは上記モニタリング装置の人間のユーザにおけるＥＥＧ信号を計測する電極（複数）といったモニタリング手段を備えている。上記モニタリング手段によって収集されたデータはデータ処理手段によって前処理され，かつさらなる処理のために上記リーダに無線で送信される。上記リーダは上記データ・キャリアの負荷変調（load modulation）を通して上記データ・キャリアからデータを受信する。典型的な応用では，上記リーダにおける上記さらなる処理は，上記ユーザに特定の医学的状態が生じているかどうかを判定し，かつこの状態を上記ユーザに警告することを含む。このように上記電池および信号処理の主要部が上記リーダ中に配置されるので，上記データ・キャリアのサイズおよび電力消費を小さく保つことができる。これは，人間のユーザに上記データ・キャリアの埋込みが実現可能になるという点で利点となる。ＥＥＧ信号の計測の観点では上記データ・キャリアを皮下的に埋込むことが特に利点になる。
【０００５】
米国特許公開ＵＳ−Ａ−５２６０７０１は，単一の送信アンテナおよび単一の受信アンテナを用いるマスタ・システムおよびスレーブ・システム間のデータの双方向送信のための装置を開示しており，ここで上記スレーブ・システムは整流回路と電源回路の間に直列に接続されたスイッチング回路を備え，上記スイッチング回路が，上記マスタ・システムへ送信されるデータを表す制御信号によってそのオープン位置とクローズ位置において駆動されるときに，高値（high value）と低値（low value）の間で上記スレーブ・システムのインピーダンスの実部が変調される。
【０００６】
米国特許ＵＳ−Ｂ１−６３０１１３８は，負荷変調手段および上記負荷変調の処理における改良型電源を備えるデータ・キャリアを開示している。追加手段が，負荷変調時のデータ処理手段用の供給電圧が少なくとも上記負荷変調停止時の負荷変調レベルに保持できるようになることを保証する。開示されている追加手段は昇圧回路およびチャージ・ポンプを含む。
【０００７】
この発明の特徴は，データ送信およびエネルギー効率化のための改良された手段を備えるリーダおよびデータ・キャリアを含むモニタリング装置を提供することであり，これによって低電力消費のモニタリング装置が提供される。
【０００８】
この発明の他の特徴は，モニタリング装置を動作させるための改良された方法を提供することにある。
【発明の開示】
【０００９】
第１の発明は，請求項１に記載のモニタリング装置を提供する。
【００１０】
これにより低電力消費のモニタリング装置が提供される。
【００１１】
第２の発明は，請求項６に記載のモニタリング装置におけるデータ・キャリアを動作させる方法を提供する。
【００１２】
これにより，低電力消費のモニタリング装置の作動方法が提供される。
【００１３】
さらなる有利な特徴は従属請求項から明らかである。
【００１４】
この発明のさらに他の特徴は，この発明の実施例をより詳細に説明する以下の記載から，当業者に明らかにされよう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の動作状態における従来技術のデータ・キャリアの等価回路図を示す。
【図２】第２の動作状態における図１の従来技術のデータ・キャリアの等価回路図を示す。
【図３】第１の動作状態におけるこの発明の第１実施例によるデータ・キャリアの等価回路図を示す。
【図４】第２の動作状態におけるこの発明の第１実施例によるデータ・キャリアの等価回路図を示す。
【図５】第１の動作状態におけるこの発明の第１実施例によるデータ・キャリアの変調部をより詳細に示す。
【図６】第２の動作状態におけるこの発明の第１実施例によるデータ・キャリアの変調部をより詳細に示す。
【図７】第２の動作状態におけるこの発明の第２実施例によるデータ・キャリアの等価回路図を示す。
【図８】この発明の第３実施例によるリーダおよびデータ・キャリアを含むモニタリング装置の等価回路図を示す。
【実施例】
【００１６】
一例として，この発明の好ましい実施例を示しかつ記載する。当然ではあるが，この発明は他の実施例が可能であり，その詳細のいくつかは，この発明から逸脱しないすべての様々な明白な観点において変形可能である。したがって図面および説明は本質的に例示として扱われ，限定するものではない。
【００１７】
はじめに図１を参照して，図１は従来技術のデータ・キャリアの等価回路図を示している。第１の動作状態におけるデータ・キャリアが示されており，上記データ・キャリアは主としてリーダから無線で供給される電源を受信するように設定されている。上記回路図は，受信コイル101および共振キャパシタ（resonance capacitor）102を備え，これらは連携して上記リーダからの無線信号の送信周波数に対応する共振周波数に調整される共振回路（resonant circuit）を形成する。上記回路図はさらに，整流器103，エネルギー保存キャパシタ104，上記データ・キャリア上の上記モニタリングおよびデータ処理手段の負荷を表す抵抗105，スイッチ106，および変調抵抗（modulation resistor）107を含む。
【００１８】
上記リーダからの無線信号の小部分（small part）が上記受信コイル101に結合し，上記コイルの両端にかかる電圧を誘発する。上記電圧は整流器103において整流され，その結果として上記エネルギー保存キャパシタ104にエネルギーが保存される。
【００１９】
次に図２を参照して，図２は第２の動作状態における図１の従来技術のデータ・キャリアの等価回路図である。第１の動作状態では上記スイッチ106が開かれ，第２の動作状態では上記スイッチ106は閉じられる。上記スイッチ106が閉じられると，上記変調抵抗107が上記負荷抵抗105と並列に結合する。
【００２０】
上記変調抵抗107のスイッチングのオンおよびオフは，上記リーダとデータ・キャリアが誘導的に結合するときに，上記リーダ（以下に記述する）内の送信コイルのインピーダンスに変化をもたらす。これは，上記リーダ内における電圧の増幅変調の効果がある。したがって，上記変調抵抗107のスイッチングのタイミングが上記データ・キャリアから上記リーダに送信されるデータによって制御されると，データを上記データ・キャリアからリーダに送信することできる。このタイプの負荷変調は，上記負荷抵抗105の両端にかかる電圧が負荷変調時に変動することがあり，上記変調抵抗107において電力が熱として消費される点において不都合である。
【００２１】
データ・キャリアの負荷変調を用いる無線電力供給および無線データ送信に適する従来技術のデータ・キャリアに関するさらなる詳細は，クラウス・フィンケンズィラー（Klaus Finkenzeller）による著書「RFID handbook: fundamentals and applications in contactless smart cards and identification", John Wiley & Sons, (2003)」に見ることができる。
【００２２】
次に図３を参照して，図３はこの発明の第１実施例によるデータ・キャリアの等価回路図を示している。上記モニタリング装置の残りの部分（すなわち上記リーダ）は明確な理解のために図示が省略されている。第１の動作状態におけるデータ・キャリアが示されており，ここでは上記データ・キャリアは主にリーダから無線で供給される電力を受信するように設定されている。上記回路図は受信コイル201，共振キャパシタ202，整流器203，エネルギー保存キャパシタ204，上記データ・キャリア上の上記モニタリングおよびデータ処理手段の負荷を表す抵抗205，変調キャパシタ206，ならびに接続点207および208を含む。
【００２３】
次に図４を参照して，図４はこの発明の第１実施例による図３のデータ・キャリアの等価回路を示している。上記モニタリング装置の残りの部分（すなわち上記リーダ）は，明確な理解のためにここでも図示が省略されている。第２の動作状態における上記データ・キャリアが示されており，上記リーダから見た場合，上記データ・キャリアの負荷は第１の動作状態に対して変化する。ここでも上記回路図は，受信コイル201，共振キャパシタ202，整流器203，エネルギー保存キャパシタ204，上記データ・キャリア上の上記モニタリングおよびデータ処理手段の負荷を表す抵抗205，変調キャパシタ206，ならびに接続点207および208を備えている。
【００２４】
第１の動作状態において，この発明の第１実施例によるデータ・キャリアは，上記データ・キャリアに誘導的にリンクするリーダから見たときに，低インピーダンス共振回路（low impedance resonant circuit）を形成する。第２の動作状態において，上記データ・キャリアは高インピーダンス共振回路を形成する。上記データ・キャリアから上記リーダに送信されるデータ・ストリームを用いて上記２つの動作状態を時間的に（in time）スイッチングすることによって，上記リーダ内の適切な評価手順に基づいて上記リーダにおいて上記データ・ストリームを再構築することが可能になる。
【００２５】
負荷変調が，上記負荷変調に用いられる構成要素内においてごくわずかな消費電力だけ（only negligible power dissipation）で達成されることが，この発明の特有の利点である。
【００２６】
一実施態様では，上記エネルギー保存キャパシタ204のキャパシタンス（静電容量）は，上記変調キャパシタ206のキャパシタンスよりも２倍から１０倍大きく，かつ上記エネルギー保存キャパシタ204のキャパシタは５から20ｎＦの範囲内にあり，他方上記変調キャパシタ206のキャパシタンスは0.5ｎＦから20ｎＦの範囲内にある。好ましくは，上記エネルギー保存キャパシタのキャパシタンスは10ｎＦであり，かつ上記変調キャパシタのキャパシタンスは１ｎＦである。
【００２７】
他の実施態様では，上記変調キャパシタ206と上記エネルギー保存キャパシタ204のキャパシタンスの比が0.5から２の範囲にある。好ましくは，２つのキャパシタのキャパシタンスは名目上同一（nominally identical）であり，0.5ｎＦから20ｎＦの範囲にある。
【００２８】
次に図５を参照して，図５はこの発明の第１実施例によるデータ・キャリアの変調部分をより詳細に示している。図５は，エネルギー保存キャパシタ204，変調キャパシタ206，スイッチ209，210および211，ならびに接続点207および208を示している。図５は第１の動作状態にあるときのデータ・キャリアを示している。第１の動作状態ではスイッチ209および211が閉じられ，かつスイッチ210が開かれる。上記キャパシタ204および206はしたがって接続点207および208に関して並列に接続される。
【００２９】
次に図６を参照して，図６はこの発明の第１実施例による，データ・キャリアの変調部分をより詳細に示している。図６は，エネルギー保存キャパシタ204，変調キャパシタ206，スイッチ209，210および211，ならびに接続点207および208を示している。図６は第２の動作状態にあるときのデータ・キャリアを示している。この第２の動作状態ではスイッチ209および211が開かれ，かつスイッチ210が閉じられる。したがって上記キャパシタ204および206は，接続点207および208に関して直列に接続される。
【００３０】
この発明の第１実施例によると，第１および第２の動作状態の両方において，上記抵抗205が上記エネルギー保存キャパシタ204に並列に結合される。この方法では，上記抵抗205の両端にかかる電圧が動作状態に依存せずに比較的一定に保たれる。上記等価回路の上記抵抗205は，上記データ・キャリアの上記モニタリングおよびデータ処理手段ならびに対応する電圧レギュレーション手段（the corresponding voltage regulation means）を表す。上記電圧レギュレーション手段の両端にかかる非常に高い電圧降下（too high voltage drop）は不必要な電力消費損（unnecessary power dissipation）の結果となる。
【００３１】
第１および第２の動作状態の両方において，上記エネルギー保存キャパシタ204および上記変調キャパシタ206にエネルギーが供給されることがこの発明の利点である。上記リーダから見て，第２の動作状態において形成される高インピーダンス共振回路が単なるオープン回路であったとすると，この動作状態のときに上記リーダから送信される電力を上記データ・キャリアへエネルギーを供給するために用いることができない。
【００３２】
したがって，この発明によると，リーダおよびデータ・キャリアを含むモニタリング装置の電力効率を非常に高めることができる。
【００３３】
次に図７を参照して，図７はこの発明の第２実施例によるデータ・キャリア300の等価回路図を示している。上記モニタリング装置の残りの部分（すなわち上記リーダ）はここでも明確な理解のために図示から省略されている。第２の動作状態におけるデータ・キャリアが示されており，ここでは上記データ・キャリアは主要にはリーダから無線で提供される電力を受信するように設定されている。上記回路図は，受信コイル309，共振キャパシタ310，整流器303，エネルギー保存キャパシタ314，上記データ・キャリア上のモニタリングおよびデータ処理手段の負荷を表す抵抗315，変調キャパシタ313，ならびに接続点311および312を含む。上記整流器303は２つのダイオード301および302と，２つのスイッチング・トランジスタ304および305を含む。上記受信コイル309に誘導される電圧がその正の半波長期間（its positive half-wave period）にあるとき，上記ダイオード301は順方向バイアスされて電流は上記接続点311に向かって流れる。この期間の間，上記スイッチング・トランジスタ304はその「オフ」状態にあり，かつ上記スイッチング・トランジスタ305はその「オン」状態にあり，これによって上記電流の流れを上記スイッチング・トランジスタ305を通して上記受信コイルに向けて戻すことができる。上記レシーバ・コイル309に誘発される電圧がその負の半波長期間（its negative half-wave period）にあるとき，上記ダイオード302が順方向バイアスされてここでも電流は上記接続点311に向かって流れる。この期間の間，上記スイッチング・トランジスタ304はその「オン」状態にあり，かつ上記スイッチング・トランジスタ305はその「オフ」状態にあり，したがって上記電流の流れを上記スイッチング・トランジスタ304を通して上記レシーバ・コイルに戻すことができる。
【００３４】
これによって，全波整流（full-wave rectification）が，２つのダイオードだけを有する回路を用いて達成され，半波期間のそれぞれにおいて単一のダイオードだけがアクティブとなる。これにより，上記整流回路の全体の電圧降下を単一のダイオード電圧降下とほぼ同じにすることができる。これは，全体の電圧降下が単一のダイオード電圧降下の約２倍となる従来の整流器ブリッジ（traditional rectifier bridges）と比べて非常に優れている。
【００３５】
さらにこの発明の第２実施例による上記整流器回路は，たとえば抵抗（複数）およびスイッチング・トランジスタ（複数）に基づく整流器回路と比べて小さい構成要素だけから構成される。
【００３６】
次に図８を参照して，図８はこの発明の第３実施例によるモニタリング装置の等価回路図を示している。上記モニタリング装置は，リーダ400およびデータ・キャリア401を有している。上記リーダ400は，信号生成器415，共振抵抗414，共振キャパシタ413および送信コイル412を含む。上記共振抵抗414，共振キャパシタ413および送信コイル412が連携して，上記リーダ部からの無線信号の選択送信周波数に対応する共振周波数に微調整される共振回路を形成する。上記データ・キャリア401は，受信コイル409，共振キャパシタ402，整流器403，エネルギー保存キャパシタ404，上記データ・キャリア上のモニタリングおよびデータ処理手段の負荷を表す抵抗405，変調キャパシタ406，ならびに接続点407および408を含む。上記データ・キャリア401は，図３および図４を参照して記載した上記データ・キャリアと同様のものである。
【００３７】
上記信号生成器415は，上記送信コイル412中に交流を生成する。上記送信コイル中の電流は，上記受信コイル409に交流を誘導する交流磁場を生成する。上記交流磁場の周波数によって動作周波数が示される。上記受信器における電流は上記データ・キャリアを給電するために用いられる。
【００３８】
一実施態様において，上記データ・キャリアは人体に埋め込まれ，上記ユーザの特定の医学的状態を連続的に監視する。さらなる実施態様では，上記データ・キャリアはユーザのＥＥＧ信号を記録する電極手段を有し，上記データ・キャリアは上記ユーザに皮下的に埋め込まれる。
【００３９】
他の実施態様では，上記動作周波数は900ｋＨｚから1100ｋＨｚの範囲内にあり，好ましくは約１ＭＨｚである。これにより，上記動作周波数が増加したときの上記コイルの最小サイズに対する要件が緩和されるので，モニタリング装置を，より低い動作周波数を持つ装置よりも小さく製造することができる。上記コイルが所与のデザインを有しかつ上記データ・キャリアが所与の負荷を持つために，上記データ・キャリア上の上記共振回路のＱ値（Q factor）は，通常，上記動作周波数とともに増加する。この発明の様々な実施例によるモニタリング装置について，この釣合い（proportionality）は，表皮効果のために，約１ＭＨｚで減少し始める（starts to diminish about 1 MHz）。
【００４０】
１ＭＨｚの動作周波数における上記共振キャパシタ202，310および402は，25ｐＦから75ｐＦの範囲の，好ましくは寄生容量を十分に超える約50ｐＦのキャパシタンスを持つことができることが分かった。これとは対照的に，２から５ｐＦの範囲のキャパシタンスを持つ共振キャパシタは10ＭＨｚの動作周波数が必要とされる。このような小さいキャパシタンス値は寄生容量と近すぎるために実装は困難である。
【００４１】
他方，上記モニタリング装置の電力効率は，100ｋＨｚから１ＭＨｚに上記動作周波数を増加することによって，たとえば４倍に（with a factor of say 4）増加することができることが分かった。
【００４２】
上記構造および手順の他の変形例およびバリエーションは当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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