(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
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。
【請求項２４】
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。
【請求項２５】
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。
【請求項２６】
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。
【請求項２７】
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。
【請求項２８】
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。
【請求項２９】
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。
【請求項３０】
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。
【請求項３１】
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。
【請求項３２】
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。
【請求項３３】
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。
【請求項３４】
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。
【請求項３５】
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。
【請求項３６】
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。
【請求項３７】
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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（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。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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