JP2006504380A - 携帯に適した装置において電気的に絶縁されたパワーカプラシステムおよびデータカプラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 医療環境において患者に接続される医療用携帯監視装置への応用に適し、かつ、電気的に絶縁されたパワーカプラおよびデータカプラを提供すること。
【解決手段】 パワーカプラシステムは、物理的かつ電気的な絶縁障壁によって隔てられた電力源と電力が供給される装置（３１０）について、電力源と電力が供給される装置との間を送電する。このシステムは、第１の装置（３１０）に含まれる第１の部分を有する磁気回路を含むパワーカプラからなり、第１の部分は、第１のコア部（３２２）と、この第１のコア部の上に設けられた第１のコイルとを含み、第１のコア部は、磁気的に浸透する材質からなる断面を有し、かつ、絶縁障壁との境界において、第１のコイル内部の断面積よりも実質的に大きい。

Description

本発明は、医療環境において患者に接続されるものとして設計された医療用携帯監視装置のパワーカプラおよびデータカプラに関する。

変圧器は、コイルおよび磁性材からなるコアを組み合わせて用い、電磁結合を利用することで、ある回路からもう一方の回路へ、両回路間が電気的に絶縁された状態で電力を送電したり、電圧を増減させたりする。人と接触する状態にある装置を、感電を避け安全に駆動するには、電気的な絶縁を施すが必要がある。標準的な変圧器は、絶縁材に、絶縁電線や、コイルとコアとの間にプラスチック製のボビンなどを用いて、接触を防ぎ電気的な絶縁を維持している。幾つかの業務用機器において、特に医療機器では、患者および医師の感電による危険が非常に大きいので、さらなる措置を施すことによって、電気的な絶縁を確実にし、そして、例えば除細動器において発生する５ｋＶ以上の高圧が存在する状況下においても、電気が放電されることを防いでいる。典型的には、非導電性材の絶縁障壁が、変圧器の中間に設けられる。入力側のコイルおよび出力側のコイルは、絶縁障壁を挟んで設けられ、好ましくはないが不可避の空隙が、磁気コアの中、すなわち磁束経路に組み入れられる。これにより、変圧器を、都合に応じて分離および結合可能な、電力源と、電力が供給される回路と、の２つに分割して構成することができる。この絶縁障壁を挿入する手法は、充電可能な患者監視装置、歯ブラシおよび髭剃りにおいて、外部に露出した電極に対する代替手法として用いられている。なぜなら、このような特に湿った環境においては、電極部分が腐食および短絡、しいては感電を引き起こす恐れがあるためである。

従来の変圧器では、磁束を収容する透磁性のコアは、そのコアを最も効果的に利用するために、コアの全長にわたって略一様な断面積（磁束の方向に垂直な面）を備えるように設計された。また、磁気抵抗を増やすために、しばしば空隙が用いられていた。これは、コイルに加える広範囲の起磁力に対して、磁心の磁気飽和が起こらないようにするためであり、これにより、例えば磁心損失を減らしたり、もしくは、ひずみの影響があるフィルタにおいて、Ｂ−Ｈ曲線を線形化させたりしていた。絶縁障壁を挿入した従来の変圧器は、大きな空隙を含む場合には最適ではないが、従来の略一様な断面積を有したコアを用いていた。

絶縁障壁を挿入した従来の変圧器は、一般的な変圧器と比較して非効率であり、従来のＤＣ−ＤＣコンバータが達成できる効率の８０％を大きく下回る。電力を無駄にし、余分な熱を生成しているのである。このような無駄な電力は、例えば、標準的なコンピュータポートやＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｂｕｓ）といったインターフェースなどの、電力が制限されている用途において重要である。さらに、絶縁障壁を挿入した従来の変圧器の電力密度は、一般的な変圧器と比較して低いため、その用途は、歯ブラシや電気髭剃りといった低電力装置（充電電力は１ワットから３ワット程度）に制限されるか、もしくは、その代わりに、大きくて重い磁気部品を備えた変圧器を設ける必要がある。これらの欠点は、入力側と出力側のコイルとの結合が貧弱であることに起因する。

変圧器を基本とし、かつ絶縁障壁を備えたパワーカプラは、患者用携帯監視システムなどの多くの携帯装置に応用されている。このような患者用携帯監視システムはまた、この携帯装置が患者と共に移動中であっても、監視装置と中央部とのデータリンクは保持されている必要がある。移動中における監視装置の電力は、典型的には監視装置に取り付けられた電池で供給される。当業者には理解できるように、電池は充電される必要があり、しかも、患者はわずかの時間で移動する必要がある。現在の携帯監視装置は、手術室や診察室および患者の部屋などの、全ての適切な設置場所に配置されたドッキングステーションを備える。患者がこれらの設置場所の１つにいる時に、携帯監視装置は、これらのドッキングステーションに差し込まれる。これらのドッキングステーションは、上述の設置場所で交流電源に接続され、監視装置の電池に充電電流を供給する。これにより、監視装置の電池は、その電荷を保持できる。患者が移動する時は、監視装置ならびに充電された電池は、ドッキングステーションから取り外され、他の使用可能なドッキングステーションまで患者と共に運ばれる。

監視装置が、無線周波数（ＲＦ）などの無線データリンクに結合されると、この無線データリンクにより、監視装置から中央部へ監視データが送信される。各監視装置は、それぞれＲＦトランシーバとＲＦアンテナとを備える。また、各ドッキングステーションも、それぞれ監視装置と対応するＲＦトランシーバとＲＦアンテナとを備える。これらに加えて、フリースタンディングアンテナおよびトランシーバが、病院内のいたる所、特に患者が移動する所（例えば、ホール）などに設けられる。ドッキングステーションやフリースタンディングアンテナの設置場所に設けられたトランシーバは、有線で中央部へ接続される。ドッキングステーションと監視装置との間で、ＲＦ通信を用いることにより、電気的な絶縁は、さらに促進される。

患者がある設置場所におり、監視装置がドッキングステーションに置かれると、このドッキングステーションは監視装置からＲＦ信号を受信し、そして受信したデータを、有線接続を介して中央部に送信する。患者がある設置場所から他の設置場所へ移動するときは、フリースタンディングアンテナおよびトランシーバが、監視装置からＲＦ信号を受信し、そして、受信したデータを中央部へ送信する。これにより、患者を連続的に監視できる。しかし、監視装置からの連続的なＲＦ通信が、問題を引き起こすため、これに配慮して用いなければならない場所が存在する。例えば、手術室においては、ＲＦエネルギーを利用する電気メスが、細胞組織や凝固血液を切断するために外科手術中に用いられる。こうした機器は、予想も付かないほどのＲＦエネルギーを発生するので、監視装置のＲＦリンクを妨害する恐れがある。しかし、このような場所こそ、監視データが損失、破損されてはならない重要な場所である。

本発明の原理に基づくシステムは、上述したパワーカプラの問題、データリンクの問題、および、それらから派生する問題に取り組むものであり、医療環境において患者に接続される医療用携帯監視装置への応用に適し、かつ、電気的に絶縁されたパワーカプラおよびデータカプラを提供することを目的とする。

パワーカプラシステムは、物理的かつ電気的な絶縁障壁によって隔てられた電力源と電力が供給される装置について、電力源と電力が供給される装置との間を送電する。このシステムは、第１の装置に含まれる第１の部分を有する磁気回路を含むパワーカプラからなり、第１の部分は、第１のコア部と、この第１のコア部の上に設けられた第１のコイルとを含み、第１のコア部は、磁気的に浸透する材質からなる断面を有し、かつ、絶縁障壁との境界において、第１のコイル内部の断面積よりも実質的に大きい。ドッキングモードにおいて、磁気回路の第１の部分は、第２の装置に設けられた第２の部分と、近接して配置されて、完全な磁気回路を形成し、第１の装置と第２の装置との間で送電するのに用いられる。磁気回路の第２の部分は、第２のコア部と、この第２のコア部に付随する第２のコイルとを含み、第２のコイルは、ドッキングモードにおいて、送電のために、完成した磁気回路を介して第１のコイルと磁気的に結合する。

第１のコア部は、絶縁障壁との境界において、略平らなコア断面を少なくとも１つ有し、第２のコア部は、絶縁障壁との境界において、略平らなコア断面を有し、第１のコア部のコア断面は、対応する第２のコア部のコア断面に隣接して、完全な磁気回路を形成することを特徴とする。

公知のパワーカプラシステムは、一様な磁気断面積を持つ従来の変圧器のコアを備える磁気部材を用いて、電力源および電力が供給される装置から成る２つの分離可能な要素間の境界を横断して送電する。この磁気部材は、例えば、二つのＣ型コアを互いに近くに配置して形成されるＣＣ変圧器（ＣＣ変圧器の２つのギャップは、電力源と電力が供給される装置との境界に置かれる）や、他には、分割した従来のポット型コアで組み立てられる変圧器（合わせ面が境界に設けられる）などを含む。上述の２つの例で、境界における空隙は、プラスチックもしくは他の素材でできた、電力源および電力が供給される機器の筐体あるいはケースで占められており、以下これらをケースマテリアルと称する。

従来の方法の大きな欠点は、コアの断面積を略一様にすることによって、境界における磁気断面積が、最適な大きさよりも、かなり小さくなることである。１つの問題は、機械的な理由により（例えば、携帯装置において）、ケースマテリアルもしくは筐体の厚みが、変圧器の設計に望まれるギャップの厚みよりも大きくなってしまう、ということである。したがって、このような磁気的な空隙による磁気抵抗は、要求されるものより大きくなり、しかも、フェライトやその他の透磁性材などにより構成される残りの閉磁気回路の磁気抵抗よりも大きくなる。よって、変圧器の磁気部材は、好ましいものより大きな磁気抵抗を持ち、その磁気インダクタンスは望まれるものよりも小さくなる。これは、変圧器のコイルに流れる電流、すなわち当業者に知るところの励磁電流を増加させる原因となる。この励磁電流によって、効果的に送電が行われる事は無く、しかも、変圧器を駆動する回路における余分な電力損失となる。

さらに、必要以上のギャップは、より多くの漏れ磁束を引き起こす原因となり、しかもこの漏れ磁束は、変圧器の入力側および出力側コイルを結合させず、そのギャップから絶縁障壁の側面に沿って他のギャップへ流れる。図１、２は、理論上の変圧器の構成を、簡略化して示したものである。当業者は理解できるように、変圧器は、図１に示されるような相互インダクタンスＬｍを持ち、１次側から２次側へ１００％の結合を持つという意味で理想的な変圧器を原型とする。そして、１次側および２次側コイルのどちらかのみを通過する磁束による漏れインダクタンスは、これらのコイルのそれぞれと直列に存在する２つの集中インダクタＬｌｐ、Ｌｌｓにより表現される。図２は、変圧器を簡略化したものであり、図１のモデルを理想化したものである。具体的には、図１は、絶縁障壁が取り払われ、１次側および２次側が接続された変圧器を示し、図２は、図１の変圧器の巻数比が１：１のモデル示している。ＬｌｐおよびＬｍは、交流減衰器を形成するため、負荷電流Ｉｌｏａｄが流れず、Ｌｌｓの両端で電圧降下が無くとも、出力電圧は入力電圧よりも低くなる。

一般的な変圧器での漏れインダクタンスは、励磁インダクタンス、もしくは相互インダクタンスＬｍの１％程度である。したがって、入力電圧の減衰は０．９９程度である。このような変圧器において、大きな絶縁障壁によるギャップを設けると、重大な問題が起き得る。なぜならば、これによって、Ｌｌｐが、Ｌｍと同等か、もしくはそれより大きくなり、そのため、入力電圧から出力電圧への減衰が０．５を超えてしまうからである。さらに、負荷電流Ｉｌｏａｄが流れると、Ｌｌｓの両端で電圧降下が起き、またＬｌｐの両端での電圧降下はさらに増加する。このこともまた、変圧器の出力を制限することとなる。さらに、Ｌｍを流れる励磁電流は、入力側から出力側への送電に寄与せず、コイルおよび駆動回路における抵抗性損失の原因となる。この問題は、コイルの巻き数を変化させることで著しく改善されることは無い。なぜなら、巻き数を変化させると、ＬｌｐおよびＬｍは共に増減するため、これによって、電圧の減衰や、１次側、２次側コイルの結合の効率の悪さが低減されることはないからである。

図３は、絶縁障壁と、その絶縁障壁の両側に、非一様なコア断面積を持つ磁気コア部材とを備えた、電力源と電力が供給される装置との間を送電する変圧器を示したものである。図３に示された結合方式は、Ｌｍを流れる励磁電流、および漏れインダクタンスＬｌｐ、Ｌｌｓの励磁インダクタンスＬｍに対する比を有意に低減させ、そして、入力側から出力側への送電量を増加させる。これは、変圧器の磁気部材の磁気インダクタンスを増加させること、ならびに、変圧器の磁気部材を通過する磁束経路が、十分に非一様なコア断面積を持つように設計を変更することで実現できる。図３に示された結合方式において、このコア断面積は、電力源と電力が供給される装置との境界付近ではより大きく設けられ、コイル付近ではより小さく設けてられている。

図３に示す結合方式は、絶縁障壁の境界におけるコア断面積が、１次側、２次側コイルにおける断面積よりも十分に大きいことを有意に示している。このような結合方式によって、ギャップにおける磁気抵抗（ギャップの面積に反比例し、ギャップの長さに比例する）は低減される。コイルにおいて断面積を小さく設けることにより、コアの全周は低減され、したがって、コイルの長さおよび抵抗は減り、これによって、コイルを流れる電流による抵抗性の電力損失を減らすことができる。もう１つの利点は、全体的な寸法、ならびに、コイルの重量、体積が減ることで、コアの体積と磁場の強さに比例する磁心電力損失とを低減できることである。もし、境界におけるコア断面積が、従来技術で知られているように磁束の経路に沿って一定に保たれていれば、図３に示すコアの結合方式と比較して、コアおよび部材全体の体積はより大きくなり、重量はより重くなる。

公知の平面的な形状を有する変圧器は、高さを低くするために、平らで幅広な形状を持つことで特徴付けられる。しかし、これら変圧器は、一般的に、磁束の経路（通常、小さいか無視できる程度の空隙を磁束経路に含む）に沿って略一様な磁気断面積を保っている。その他の公知の装置では、円筒、中空円筒、もしくは平らなパドルの形状などの突出部を有する装置と、これらの形状に対応した開口部を有するもう１つの装置と、からなる２つの分離可能な装置の間に、変圧器結合の境界を用いていた。この方法による問題としては、結果的に表面が近づけにくくなること、結合部の整備および清掃を難しくすること、塵の堆積による影響を受けやすいこと、などが挙げられる。また、２つの装置を一致させるためには、突出部と開口部の配置に注意を払う必要がある。さらに、従来の形状は、開口部に挿入する差込部（例えば、円柱形もしくは水かき形など）を備え、これが放熱性を低下させていた。差込部は、典型的に、その大部分が囲い込みよって包まれており、開口部の壁で包囲される。このような囲い込む形状は、放熱を妨げ、差込部の高熱を導く。

これに対して、図３に示す装置は、２つに分離できる装置（例えば、携帯装置およびそのドッキングステーション）の間の境界が、略平らで平面的であることを示している。これによって、上述の結合方式を多種の装置にわたって使用することが可能となる。ここで、多種の装置とは、２つの対になる装置の構造が、平面的な形状に適したものであり、例えば、電話の受話器とそのクレイドル、小さな手持ちコンピュータや、何かその他の装置とそのドッキングステーション、もしくは、一方の装置が大きな平面を有するものなどである。図３に示す平面的な境界を有する結合方式のもう一つの利点は、このような形状が、対象となるホスト装置に要求される典型的な設計と調和するため、必要な再設計を最小に抑えられることである。また、このような結合方式によって、熱放散も改善される。

図３に示す装置において、磁束の経路は、コイル（１１１、１１２）における断面積と比較して、空隙および絶縁障壁の境界において比較的大きな断面積を持つことを示している。磁束は、相対的に小さな断面積を、クロスバー１０５を介して導かれ、完全な磁束の経路を形成する。フェライトは、磁気コアとしては、２０ｋＨｚ以上でかつコアの寸法は５ｃｍから１０ｃｍの範囲内での応用に、典型的に好まれる磁性材である。しかし、本発明の原理は、その他の仕様および寸法の透磁性材にも同じように適用できる。その他の透磁性材とは、例えば、複合材料、粉末状の鉄、および珪素鋼層などを含み、より低い周波数であったり、もしくは、寸法によってフェライトが高価であったり、脆かったり、その他の制限がある場合に、これらの透磁性材が用いられる。通常磁気コアは、その製造を容易にし、また、各々のスラブが接合部で破砕するのを防ぐため、個々の断片に分割されるが、機械的な圧力を考慮して、一片のフェライトとして成型してもよい。個々の断片に分割されたコアは、各磁性材の断面の間に、これらを接合し、衝撃を和らげるために柔軟な鋼鉄材を含み、これにより、振動および衝撃により破砕するのを防いでいる。適した材料としては、例えば、フェライト粒子とポリマーの混合物からなり、比透磁率が１０〜２５程度の透磁性材が市販されている。

図３に示す結合方式は、携帯装置の部分（要素１０１〜１０５と、１１２〜１１４とは、後述する図４〜６のコア部３２２に対応する）と、この携帯装置が再充電のためにドッキングされるときに、この携帯装置の区分と対を成し、結合された磁気回路による変圧器を構成するドッキング装置の部分（要素１０６〜１１１と、１１５と、１１６とは、図４ないし６に示すコア部３４４に対応する）と、両区分の間を介するプラスチックケース（および空隙）と、を含む。携帯装置の部分は、フェライトスラブ１０１〜１０４およびクロスバー１０５から形成されるＣ型コアの配列を備える。ドッキング装置は、フェライトスラブ１０６〜１０９と、クロスバー１１０と、から形成され、対になるＣ型コアを備える。入力の交流電圧は、ドッキングステーションのコイル１１１にかけられ、転送された出力電圧は、携帯装置のコイル１１２から得られる。ドッキングステーションの上に携帯装置が置かれると、携帯装置のフェライトスラブ１０１〜１０４は、それぞれ、対応するドッキングステーションのフェライトスラブ１０６〜１０９と、１／１０インチ以内の位置に置かれる。この１／１０インチの空間は、携帯装置およびドッキングステーションのプラスチックケースと、空隙と、で占められる。透磁性の当て物１１３、１１４は、クロスバー１０５と、スラブ１０１と、を結合して、耐衝撃性を携帯装置に与えるために用いられる。同様に、透磁性の当て物１１５、１１６は、クロスバー１１０と、スラブ１０６〜１０９と、の間に用いられる。

図４は、中央部と、ドッキングステーションと、携帯監視装置と、を含む監視システムのブロック図である。図４は、複数（３００Ａ、３００Ｂ）の携帯監視装置３１０およびドッキングステーション３４０がそれぞれ、中央制御装置１００と、電力供給部２００とに接続されている様子を示している。各々の監視装置３１０は、患者（患者Ａ、患者Ｂ）に接続するための電極３２４を備える。

各々の携帯監視装置３１０は、ＲＦアンテナ３１２を備える。ＲＦアンテナ３１２の双方向端子は、これに対応するトランシーバ３１４の端子に接続される。監視装置３１０の中で、トランシーバ３１４は、図示しないその他の回路と接続されている。また、各々の携帯監視装置３１０は、電池３１８も備える。この電池３１８は、電力供給部３１６に接続される。また、この電力供給部３１６は、監視装置３１０の中で、図示しないその他の回路に、公知の方法で全て接続されている。上述した設計、動作、および、その他の回路との相互の接続関係は、当業者にとっては良く知るところであり、しかも本発明と密接な関係は無いので、以下において詳細に述べることはしない。

本実施形態に示されたオプティカルトランスデューサ３２０は、無線を用いた双方向全二重通信が可能なオプティカルトランスデューサである。当業者には理解できるように、このオプティカルトランスデューサは、送信するための発光ダイオード（ＬＥＤ）と、送信と同時に、光信号を受信するためのフォトトランジスタとを備える。オプティカルトランスデューサ３２０の双方向端子は、これに対応するトランシーバ３１４の端子に接続される。監視装置３１０の中で、トランシーバ３１４に設けられたデータ端子（図示せず）は、図示しないその他の回路に接続される。また、監視装置３１０は、図３において解説された分離変圧器の２次側３２２も備える。この２次側３２２は、電力供給部３１６の入力端子に接続される。

各々のドッキングステーション３４０は、無線を用いた双方向全二重通信が可能なオプティカルトランスデューサであるオプティカルトランスデューサ３４２を備える。このオプティカルトランスデューサ３４２は、監視装置３１０に設けられたオプティカルトランスデューサ３２０と対応し、監視装置３１０がドッキングステーション３４０にドッキングされると、２つのオプティカルトランスデューサ３２０，３４２の間で全二重通信が行えるように配置されている。

ドッキングステーション３４０は、分離変圧器の１次側３４４も備える。この１次側３４４は、監視装置３１０に設けられた分離変圧器の２次側３２２と対応し、監視装置３１０がドッキングステーション３４０にドッキングされると、完全な変圧器を形成し、送電が行われるように配置される。

動作中に、携帯装置３１０（図４）がドッキングステーション３４０にドッキングされると、電力供給部２００から、１次側コイル１１１（図３）へ交流電流が供給される。この交流電流は、ドッキングステーションおよび携帯装置のコア部を含む磁気回路によって構成されるコアの中に、磁場を誘導する。その結果、２次側電流が、携帯監視装置３１０（図４）に設けられた２次側コイル１１２に誘導される。この２次側電流は、電力供給部３１６に供給され、携帯装置３１０を駆動し、電池３１８を充電する。同時に、一列に配置された光学素子３２０，３４２によって、監視装置３１０とドッキングステーション３４０との間の全二重通信が可能となる。コンパクトかつ能率的な構成が、上述した発明の原理によって実現される。

図４には、中央制御装置１００も示されている。この中央制御装置１００は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）に接続された双方向データ端子を備える。このＬＡＮは、病院内の各種ワークステーション（図示せず）や、インターネットなどのワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）へのブリッジ（図示せず）に接続される。複数のドッキングステーション３４０に設けられたオプティカルトランスデューサ３４２は、双方向的に、ＬＡＮと接続される。このオプティカルトランスデューサ３４２は、ＬＡＮを介して中央制御装置１００に接続されるものとして図示されているが、当業者には理解できるように、各々の双方向データ線は、複数のドッキングステーション３４０に設けられたオプティカルトランスデューサ３４２と、これらに対応する中央制御装置１００に設けられた双方向端子と、の間に直接接続してもよい。この場合は、これらの双方向データ線で、ドッキングステーション３４０と中央制御装置１００との間を直に通信できる。

また、中央制御装置１００は、ＲＦアンテナ１１０も備える。このＲＦアンテナ１１０は、各々の監視装置３１０に設けられたＲＦアンテナ３１２と、無線を用いた公知の方法で通信ができる。このＲＦアンテナ１１０は１本であると図示されているが、当業者には理解できるように、病院中に配置された複数のアンテナが、中央制御装置１００に接続される。例えば、スタンドアロントランシーバ１２０は、ＬＡＮに接続される。このスタンドアロントランシーバ１２０は、図４で破線として示したように、携帯装置３１０とデータ交換ができるＲＦアンテナ１２２を備える。上述したように、これらのスタンドアロントランシーバも、中央制御装置１００に、各々を直接接続してもよい。このようなスタンドアロントランシーバは、移動中の状態ならびにドッキングされていない状態の携帯監視装置３１０と通信をするために、病院の至る所に置かれる。

電力供給部２００は、複数のドッキングステーション３４０に設けられた各々の１次側３４４と接続される。この電力供給部は、図４では、別個の要素として図示されているが、通常に配される交流電源で、複数のドッキングステーション３４０に設けられた各々の１次側３４４に、電力を供給できる。

動作中、監視装置３１０は、ドッキングされた状態とドッキングされてない状態とのどちらかにある。図４の上部にて組を成す監視装置３１０とドッキングステーション３４０との一組３００Ａは、ドッキングされていない状態にあり、図４の下部にて組を成す監視装置３１０とドッキングステーション３４０との一組３００Ｂは、ドッキングされている状態にある。一般に、監視装置３１０がドッキングされているとき、オプティカルトランスデューサ３２０，３４２を通じてデータ通信が行われ、また、分離変圧器３４４，３２２を通じて監視装置３１０に送電される。監視装置がドッキングされてないときは、ＲＦアンテナ３１２を通じてデータ通信が行われ、また、電力は電池３１８から供給される。

３００Ａ（ドッキングされてない状態）において、オプティカルトランスデューサ３２０とトランシーバ３１４との接続は、これが不動作であることを表すために破線で示され、同時に、アンテナ３１２とトランシーバ３１４との接続は、動作中であることを表すために実線で示されている。中央制御装置１００に設けられたアンテナ１１０と、監視装置３１０に設けられたアンテナ３１２との間のジグザグ線は、監視装置３１０と中央制御装置１００との間のＲＦリンクが保持されていることを示している。同様に、分離変圧器の２次側３２２と、電力供給部３１６との間の接続は、これが不動作であることを表すために破線で示され、一方、電池３１８と電力供給部３１６との間の接続は、電池３１８から電力供給部３１６へ送電されていることを表すために実線矢印で示されている。ドッキングステーション３４０に設けられたオプティカルトランスデューサ３４２とＬＡＮとの間のデータ通信、ならびに、電力供給部２００と分離変圧器の１次側３４４との間の電力結合は、これらが不動作であることを表すために細線で示されている。

３００Ｂ（ドッキングされた状態）において、アンテナ３１２とトランシーバ３１４との間の接続は、これが不動作であることを表すために破線で示され、一方、オプティカルトランスデューサ３２０とトランシーバ３１４との間の接続は、動作中であることを表すために実線で示されている。ドッキングステーション３４０に設けられたオプティカルトランスデューサ３４２と、監視装置３１０に設けられたオプティカルトランスデューサ３２０との間のジグザグ線は、中央制御装置１００と監視装置３１０との間のオプティカルリンクが保持されていることを示している。同様に、分離変圧器の２次側３２２と、電力供給部３１６との間の接続は、これが動作中であることを表すために実線で示されている。電池３１８と電力供給部３１６との間の接続は、電力供給部３１６から電池３１８へ充電電力が送電されていることを表すために実線矢印で示されている。ＬＡＮと、ドッキングステーション３４０に設けられたオプティカルトランスデューサ３４２との間の接続、ならびに、電力供給部２００と、分離変圧器の１次側３４４との間の接続は、動作中であることを表すために実線で示されている。監視装置３１０に設けられたアンテナ３１２と、中央制御装置１００に設けられたアンテナ１１０との間には、ジグザグ線は示されておらず、これは、ＲＦ通信が行われていないを示している。

当業者には理解できるように、中央制御装置１００は、ＬＡＮや、監視装置３１０がドッキングされたドッキングステーション３４０に個々に接続された配線（図示せず）、および、ドッキングされていない監視装置３１０への無線ＲＦリンクを介して、多数の監視装置３１０と同時に通信をする。時分割多重方式、周波数分割多重方式、パケット通信、もしくはこれらを合わせた方法などの、同時通信を行うための公知のいかなる方法を、上述した同時通信のために用いることができる。例えば、各種のプロトコルが、多数のネットワークノード間のネットワーク通信で一般的に用いられる。具体的には、数あるプロトコル中で、インターネットプロトコル（ＩＰ）、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．ネットワークプロトコルなどがある。これら公知のプロトコルは、どれでも、多数の監視装置３１０と中央制御装置１００と間のＬＡＮを介した通信に用いることができる。これらと同じプロトコルが、ドッキングされていない監視装置３１０と、中央制御装置１１０に設けられたアンテナ１１０との無線ＲＦ通信にも用いられる。また、これらの間の通信は、直接か、あるいは、中央制御装置１００にＬＡＮもしくは個々の配線で接続されたスタンドアロントランシーバ１２０を介するかで行われる。

監視装置３１０およびドッキングステーション３４０に設けられた公知の回路は、監視装置３１０がドッキングステーション３４０にドッキングされると、それを感知する。本実施形態では、監視装置３１０がドッキングステーション３４０にドッキングされた時にのみ送電が行われるので、ドッキングステーション３４０に設けられたこのような回路は、１次側３４４に接続された負荷（２次側３２２）を感知し、また、これに対応する監視装置３１０に設けられた回路は、２次側３２２に電力が存在することを感知する。もう一つの例を挙げると、監視装置３１０がドッキングステーション３４０にドッキングされた時にのみ、オプティカルトランスデューサ３２０、３４２を通じてデータが交換されるので、ドッキングステーション３１０に設けられたこのような回路は、オプティカルトランスデューサ３２０からのデータの存在を感知し、また、これに対応するドッキングステーション３４０に設けられた回路は、オプティカルトランスデューサ３４２からのデータの存在を感知する。

監視装置３１０がドッキングされたことをドッキングステーション３４０が感知すると、中央制御装置１００は、ＬＡＮを介してドッキングステーション３４０に設けられたオプティカルトランスデューサ３４２と通信を始める。これと同時に、監視装置３１０は、自身がドッキングされていることを感知すると、トランシーバ３１４がオプティカルトランスデューサ３２０に接続され、一対のオプティカルトランスデューサ３２０、３４２を用い、ＬＡＮを介して中央制御装置１００と通信を始める。具体的には、監視装置３１０に設けられたトランシーバ３１４は、ＬＡＮで使用されるネットワークプロトコルに則ったデータ、すなわち、ＩＰパケットを生成する。パケットに変換されたデータは、一対のオプティカルトランスデューサ３２０、３４２通過してＬＡＮへ介される。中央制御装置１００は、ＬＡＮからＩＰパケットを順々に受信し、データを復元する。その後、このデータは、中央制御装置１００で処理される。例えば、患者の監視データが中央部に保存される。同時に、中央制御装置１００から監視装置３１０へ向けられたデータは、パケットに変換され、ＬＡＮに置かれる。このパケットに変換されたデータは、一対のオプティカルトランスデューサ３４２、３２０を介して、監視装置３１０で受信される。トランシーバ３１４は、このデータを復元し、そして、受信したデータにより定められる方法で監視装置３１０の動作を制御する。例えば、中央制御装置１００によって、監視パラメータが指定されたり、変更されてもよい。同時に、監視装置３１０がドッキングステーション３４０にドッキングされたことを感知すると、分離変圧器の２次側３２２からの電力は、電池３１８の充電も含めて、監視装置３１０の回路を駆動する。

監視装置３１０がドッキングされていないことをドッキングステーション３４０が感知すると、そのことは中央制御装置１００に通知され、中央制御装置１００は、ＲＦアンテナ１１０を介した通信を始める。同時に、監視装置３１０がドッキングされていないことを自身が感知すると、トランシーバ３１４は、ＲＦアンテナ３１２に接続され、中央制御装置１００とＲＦリンクを介した通信が開始される。上述したように、トランシーバ３１４は、選択されたネットワークプロトコルに則ったデータ、すなわち、ＩＰパケットを生成する。このパケットに変換されたデータは、無線ＲＦアンテナ１１０を介して中央制御装置１００に送信される。中央制御装置１００は、このＩＰパケットを受信して、データに復元し、そして、患者の監視データを保存するなどの処理が行われる。中央制御装置１００もまた、監視装置３１０に向けられたデータに対応するＩＰパケットを生成する。中央制御装置１００は、このパケットに変換されたデータを、監視装置３１０に設けられたアンテナ３１２へ、無線ＲＦアンテナ１１０を介して送信する。監視装置３１０に設けられたトランシーバ３１４は、ＩＰパケットを順々に受信して、データに復元し、そして、そのデータに応じて監視装置３１０の動作を制御する。

あるいは、スタンドアロントランシーバ１２０が、監視装置３１０と、無線ＲＦ信号で通信してもよい。この場合、監視装置３１０に設けられたアンテナ３１２は、パケットに変換された患者の監視データを、スタンドアロントランシーバ１２０に設けられたアンテナ１２２へ、上述のように送信する。このスタンドアロントランシーバ１２０は、パケットに変換されたデータを受信し、そして、そのデータをＬＡＮに置く。中央制御装置１００は、ＬＡＮからＩＰパケットを受信して、データに復元し、そして、それを所望の方法で処理する。中央制御装置１００は、監視装置３１０に向けられたデータに対応するパケットをＬＡＮに順々に置く。スタンドアロントランシーバ１２０は、このパケットに変換されたデータを受信して、これを監視装置３１０に設けられたアンテナ３１２へ送信する。監視装置３１０に設けられたトランシーバ３１４は、このパケットを受信し、受信したパケットをデータに復元し、そして、そのデータに応じて監視装置の動作を制御する。さらに、監視装置がドッキングされていない時は、電池３１８の電力が、監視装置３１０の回路を駆動する。

図４で図示され、また、上述した実施形態において、通信媒体は、監視装置３１０がドッキングされている時の光から、ドッキングされていない時の無線へと変化する。しかし、当業者には理解できるように、両方の形態においても、同じ通信媒体を共有することはできる。図５は、ドッキングされた時において、中央制御装置１００と通信をするための別の手段を備えた監視装置３１０を示している。図５に示すように、監視装置３１０に設けられたトランシーバ３１４は、ドッキングされた時にドッキングステーション３４０と隣接するように配置されたＲＦアンテナ３２６に接続される。これに対応して、ドッキングステーション３４０は、ドッキングされた時に、監視装置３１０に設けられたＲＦアンテナ３２６と隣接するように配置されたＲＦアンテナ３４６を備える。これらのアンテナ３２６、３４６は、小さく、そして、互いに近接して配置される。点線として図示されたシールド３２８が、監視装置３１０に設けられ、アンテナ３２６を取り囲み、そして、これに対応するシールド３４８が、ドッキングステーション３４０に設けられ、アンテナ３４６を取り囲む。シールド３２８、３４８は、監視装置３１０がドッキングステーション３４０にドッキングされた時に、完全にアンテナ３２６、３４６をシールドするように、共同して配置されている。これは、アンテナ３２６、３４６から周囲に放射しないようにするためであり、また、手術用機器などによるＲＦ干渉が、これらの通信を妨害しないようにするためである。

このようにして、中央制御装置１１０は、監視装置３１０がドッキングされた状態およびドッキングされていない状態の両方に対して、共通のＲＦトランシーバを用いることができる。ドッキングされた時には、一対のＲＦアンテナ３２６、３４６が用いられ、ドッキングされていない時には、一対のＲＦアンテナ１１０、３１２が用いられる。当業者には理解できるように、ドッキングステーション３４０に設けられたＲＦアンテナ３４６からの信号レベルは、アンテナ１１０からの信号レベルよりも強い。当業者には理解できるように、中央制御装置１００に設けられたＲＦトランシーバを通常のダイナミックレンジで用いるには、減衰器、もしくはアンプが必要となるであろう。

図６は、ドッキングされている時、もしくはドッキングされていない時において、中央制御装置１００との別の通信手段を有する監視装置３１０を示している。図６に示すように、監視装置３１０は、図４や図５に示されているようなアンテナ３１２を備えていない。その代わりに図６において、内蔵されたアンテナ３２６が、監視装置３１０がドッキングされている時は、図４に示されているように、ＲＦアンテナとして動作し、また、監視装置３１０がドッキングされていない時も、図６に細いジグザグ線として示されているように、ＲＦアンテナとして動作する。図５に示されているように、監視装置３１０がドッキングされている時は、シールド３２６、３４６が共同して、周囲からアンテナ３２６、３４６をシールドする。しかし図６では、監視装置３１０がドッキングされていない時には、シールド３２８、３４８は分かれ、そして、アンテナ３２６は周囲に発信できる。すなわち、アンテナ３２６は、中央部に設けられたアンテナ１１０や、病院に設けられた複数のフリースタンディングアンテナへ、上述のように発信できる。さらに、ドッキングステーション３４０に設けられたアンテナ３４６は、監視装置３１０に設けられたアンテナ３２６からのＲＦ信号を受信するスタンドアロンアンテナ（例えば、図４の１２２）の一つとして用いることができる。したがって、監視装置３１０に設けられたアンテナ３２６は、ドッキングされていない時であっても、ドッキングステーション３４０に設けられたアンテナ３４６と、通信することができる。このことは、図６において、細いジグザグ線として示されている。

当業者には理解できるように、余剰の通信媒体を用いることで、さらなる信頼性が得られる。例えば、監視装置３１０およびドッキングステーション３４０は、図４に示されているようなオプティカルトランスデューサ３２０、３４２と、図５および図６に示されているようなＲＦアンテナ３２６、３４６と、の両方を備えてもよい。動作中は、両方の通信媒体は、監視装置３１０とドッキングステーション３４０とのデータ送信に、同時に用いられる。

ドッキングステーション３４６に設けられたオプティカルトランスデューサ３４２は、ライトエミッティングダイオード（ＬＥＤ）によるオプティカルトランスミッターと、フォトトランジスタによるオプティカルレシーバとを備える。監視装置３１０に設けられたオプティカルトランスデューサ３２０もまた、ライトエミッティングダイオード（ＬＥＤ）によるオプティカルトランスミッターと、フォトトランジスタによるオプティカルレシーバとを備える。これらＬＥＤおよびフォトトランジスタは、供給される電気的な信号に応じて、既知の方式で動作する。ドッキングステーションに設けられたＬＥＤは、その発光による光が、監視装置３１０に設けられたフォトトランジスタのみに受信されるように配置され、また、監視装置３１０に設けられたＬＥＤは、監視装置３１０がドッキングステーション３４０にドッキングされた時に、その発光による光が、ドッキングステーション３４０に設けられたフォトトランジスタのみに受信されるように配置される。オプティカルトランスデューサ３２０、３４２を用いると、上述のように、手術室などにおいて起こりえるＲＦ干渉による悪影響は解消される。

図４に関連して上述したように、ＬＥＤおよびフォトトランジスタは、公知の方法でシールドされたストリップ線による小さなＲＦアンテナで、置き換えるか、もしくは補強できる。このＲＦリンクを用いると、中央制御装置１００は、ＲＦトランシーバとオプティカルトランスデューサとの両方ではなく、ＲＦトランシーバのみ要求されるので、中央制御装置１００に必要とされる回路は簡素化される。適当なシールドを施すことで、ＲＦ信号を妨害する悪影響は最小化される。

簡略化された理論上の変圧器の構成を示したものである。 簡略化された理論上の変圧器の構成を示したものである。 絶縁障壁と、その絶縁障壁の両側に設けられた非一様な磁心断面積を有する磁心部材とを備え、電力源と電力が供給される装置との間を送電する本発明の原理に基づく変圧器を示したものである。 中央部と、ドッキングステーションと、携帯監視装置とを含む本発明の原理に基づく監視システムのブロック図である。 代替となる伝達媒体を用いる場合の配置を示す携帯監視装置のブロック図であり、図４に示された監視システムに対する、本発明の原理に基づく電力およびデータの伝送装置を示したものである。 代替となる伝達媒体を用いる場合の配置を示す携帯監視装置のブロック図であり、図４に示された監視システムに対する、本発明の原理に基づく電力およびデータの伝送装置を示したものである。

Claims (13)

1. 物理的かつ電気的な絶縁障壁によって隔てられた電力源と電力が供給される装置について、前記電力源と前記電力が供給される装置との間を送電するパワーカプラシステムであって、
   第１の装置に含まれる第１の部分と、第２の装置に含まれる第２の部分と、を有する磁気回路を含むパワーカプラからなり、
   前記第１の部分は、第１のコア部と、この第１のコア部の上に設けられた第１のコイルとを含み、
   前記第１のコア部は、透磁性材からなる断面を有し、かつ、絶縁障壁との境界において、前記第１のコイル内部の断面積よりも実質的に大きく、
   ドッキングモードにおいて、前記磁気回路の第１の部分は、第２の装置に設けられた第２の部分と、近接して配置されて、完全な磁気回路を形成し、前記第１の装置と前記第２の装置との間で送電するのに用いられ、
   前記磁気回路の第２の部分は、第２のコア部と、この第２のコア部に付随する第２のコイルとを含み、
   前記第２のコイルは、前記ドッキングモードにおいて、前記送電のために、前記完成した磁気回路を介して前記第１のコイルと磁気的に結合することを特徴とするパワーカプラシステム。
2. 請求項１に記載のパワーカプラシステムにおいて、
   前記第１のコア部は、前記絶縁障壁との境界において、略平らなコア断面を少なくとも１つ有し、
   前記第２のコア部は、前記絶縁障壁との境界において、略平らなコア断面を有し、
   前記第１のコア部のコア断面は、対応する前記第２のコア部のコア断面に隣接して、前記完全な磁気回路を形成することを特徴とするパワーカプラシステム。
3. 請求項２に記載のパワーカプラシステムにおいて、
   前記略平らな第１のコア部のコア断面は、この略平らな第１のコア部のコア断面の大部分を覆いかつ前記第２のコア部を含む装置を用いることなく、前記略平らな第２のコア部のコア断面に近接して配置可能であること特徴とするパワーカプラシステム。
4. 請求項１に記載のパワーカプラシステムにおいて、
   前記磁気回路の第２の部分は、透磁性材からなる第２のコア部を含み、
   前記第２のコア部は、絶縁障壁との境界において、前記第２のコア部の上に設けられた第２のコイルの内部よりも実質的に大きな断面積を有することを特徴とするパワーカプラシステム。
5. 請求項１に記載のパワーカプラシステムにおいて、
   前記第１の装置、および、前記第２の装置は、それぞれ、
   （ａ）携帯装置、
   （ｂ）前記携帯装置に対するドッキングステーション
   であることを特徴とするパワーカプラシステム。
6. 請求項１に記載のパワーカプラシステムにおいて、
   前記透磁性材からなる第１のコア部は、複数のコアの断片を有し、
   前記コアの断片の接合部のうち少なくとも１つには、柔軟な鋼鉄材が設けられることを特徴とするパワーカプラシステム。
7. 請求項１に記載のパワーカプラシステムにおいて、
   前記磁気回路の第１の部分と、前記磁気回路の第２の部分との間の物理的な境界は、略平らであることを特徴とするパワーカプラシステム。
8. 請求項１に記載のパワーカプラシステムにおいて、
   前記絶縁障壁との境界において、前記第１のコイル内部よりも実質的に大きい断面積は、少なくとも１．５倍以上大きいことを特徴とするパワーカプラシステム。
9. 請求項１に記載のパワーカプラシステムにおいて、
   前記透磁性材は、
   （ａ）フェライト材、
   （ｂ）複合材料、
   （ｃ）粉末状の鉄、
   （ｄ）ケイ素鋼層、
   （ｅ）アモルファス磁性材
   のうち少なくとも１つを含むことを特徴とするパワーカプラシステム。
10. 請求項１に記載のパワーカプラシステムにおいて、
    前記物理的かつ電気的な絶縁障壁は、少なくとも０．０１インチであることを特徴とするパワーカプラシステム。
11. 物理的かつ電気的な絶縁障壁によって隔てられた電力源と電力が供給される装置について、前記電力源と前記電力が供給される装置との間を、電力とデータを伝送する携帯装置であって、
    第１の装置に含まれる第１の部分、第２の装置に含まれる第２の部分、を有する磁気回路を含むパワーカプラと、電気的に絶縁されたデータトランスデューサと、からなり、
    前記第１の部分は、第１のコア部と、この第１のコア部の上に設けられた第１のコイルとを含み、
    前記第１のコア部は、透磁性材からなる断面を有し、かつ、絶縁障壁との境界において、前記第１のコイル内部の断面積よりも実質的に大きく、
    ドッキングモードにおいて、前記磁気回路の第１の部分は、第２の装置に設けられた第２の部分と、近接して配置されて、完全な磁気回路を形成し、前記第１の装置と前記第２の装置との間で送電するのに用いられ、
    前記磁気回路の第２の部分は、第２のコア部と、この第２のコア部に付随する第２コイルとを含み、
    前記第２のコイルは、前記ドッキングモードにおいて、前記送電のために、前記完成した磁気回路を介して前記第１のコイルと磁気的に結合し、
    前記データトランスデューサは、前記第１の装置のネットワークへの接続を担い、前記ドッキングモードにおいて、双方向的にデータを交換することを特徴とする携帯装置。
12. 請求項１１に記載の携帯装置において、
    前記携帯装置は、患者用携帯監視装置を含み、
    前記双方向的に交換されるデータは、前記患者用携帯監視装置によって生成される患者監視パラメータと、前記患者用携帯監視装置の機能を制御する情報と、を含むことを特徴とする携帯装置。
13. 請求項１１に記載の携帯装置において、
    前記携帯装置のネットワーク接続は、
    （ａ）インターネットプロトコル（ＩＰ）に準拠した接続、
    （ｂ）ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）に準拠した接続、
    （ｃ）ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）に準拠した接続、
    （ｄ）Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．プロトコルに準拠した接続、
    のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする携帯装置。

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