JP2010532644A - 信号結合及び直流阻止のための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

他の電子部品と組み合わされた複数の対称２重層キャパシタを用いることで、電子機器の１の段から他の段に、外部世界からそのような段に、又は、そのような段から外部世界に、低周波信号を結合させるための回路構成の方法及びクラス。キャパシタはエネルギーの貯蔵ではなく、直流電流を阻止しつつ信号の伝送に用いられる。より在来的なキャパシタの代わりに２重層キャパシタを用いることで、非常に少ない歪みをもって非常に広い範囲の信号の伝送が可能になる。この技術は、在来的な部品が使用されたときに起こり得る許容できないレベルの歪みが生じうるところ、単一の部品の故障の場合の安全のために冗長デバイスが必要とされる生体電子刺激を含む医療装置での使用に特に適合する。

Description

本発明は、信号結合方法及び回路構成のクラスに関する。特に、本発明は、従来の結合回路における従来のフィルムタイプ又はセラミックスモノリシック結合キャパシタを対称型カーボン２重層キャパシタにより置換した信号結合の方法及びシステムに関する。

キャパシタの現象は数世紀に渡って知られている。最も古い電気貯留装置であるライデンビンは単純なキャパシタであった。

最も単純な概念の形態では、図１に示されるキャパシタ１０は、電気的非伝導の空間１４を間に挟んで平行に置かれた２つの導電プレート１２ａ，１２ｂとして考えられる。各プレートの面積１６がＳでそれらの距離１８がｄであり、ｄがＳの平方根より十分小さければ、キャパシタ１０の静電容量値Ｃは、Ｃを印加された電圧当たりに蓄えられるクーロンに等しいファラドの単位とし、εを空間１４を埋める何らかの材料の誘電率として、Ｃ＝εＳ／ｄで表される。空の空間（又は殆どすべてのガス）については、誘電率は、ε_０＝８．８４９×１０^−１２ファラド／ｍである。他の物質については、εは、ε_Ｒを物質の無次元量としてε_０とε_Ｒの積で表現される。ε_Ｒは典型的には、テフロン（登録商標）などの過フッ素化炭化水素での約２から、殆どのプラスチックや鉱物に典型的な３〜６の値、酸化アルミの８．８、酸化タンタルの３０、蒸留水の８０を経て、特別に処理されたチタン酸バリウムの１２００にまで多岐に渡る。

キャパシタ１０と外界との電気的通信は、図１ａに示されるプレート１２ａ，１２ｂにそれぞれ接続された２つの導体２０ａ，２０ｂを介して行われる。その結果、電気概略図では、２つのプレート、その間の空間及び外に繋がる導体を示す図１ｂの符号２２で表される。殆ど常に、実際のキャパシタは、これらに加えて、図１ａの破線２４で示されるような不要な電流の流れ又は漏れを防ぐための外部絶縁ジャケット又は被覆を含む。

上記の等式から判るように、静電容量はＳの増大、ｅの増大又はｄの減少により増大する。図２ａの３０で示されるプレート間に空の空間（又はより実際的には、空気）を用いた初期のキャパシタは数ピコファラド（１０^−１２ファラド）から数百ピコファラドの極めて小さい値のＣを有していた。このようなキャパシタは、非常に高い周波数や数千ボルトの電圧では有用だが、他の現代の低電圧電子機器では用途は殆ど見いだせない。

図２ｂに示される次の世代のキャパシタは、マイカ、ワックスを掛けた紙又はプラスチックの薄い（典型的には、約１０^−４メートル）フィルム３２でより近い間隔で隔てられた導電プレートを使用した。典型的にはこのプレートは金属フォイルから成り、フィルムとフォイルは小型化のために一緒にロール状に巻かれた。結果としてのＳの増大、ｄの減少及びεの増大が組み合わさって、通常は数百ボルトの低い動作電圧ではあるが、実用値を２〜３桁大きい大きさに、約１ナノファラド（１０^−９ファラド）から数百ファラドにした。

その殆どが特別に処理されたチタン酸バリウムに基づくが、強誘電体セラミックスの開発がモノリシックと呼ばれるキャパシタの更なる世代を可能にした。このような「チップ」キャパシタは、図２ｃに示されるように、セラミックス３４の薄い（約１０^−４メートル）層とパラジウムなどの金属を交番させて単一のセラミックス片に焼成することで作られる。実際のデバイスは小さいが、これらはフィルムキャパシタよりも製造が容易ではるかに丈夫である。典型的には約１２００であるセラミックス３４の極めて高いε_Ｒ値は必要な低減されたＳを相殺し、典型的には１０〜３０ボルトの動作電圧で１ナノファラドから約１マイクロファラド（１０^−６ファラド）の実際値を達成する。強誘電体セラミックスはディスクキャパシタで使用することも可能であり、その場合は上記の例の物質３２がセラミックスで置換され、より小さい静電容量を達成するが、より高い電圧で動作が可能である。

大きいＳと非常に小さいｄによる小体積で大きい静電容量を許容する更なる発展は、図２ｄに示される電解質キャパシタであった。この場合、少なくとも１のプレートがアルミやタンタルなどの金属で形成され、表面積を最大化するためにエッチングされ、或いは他の方法で処理され、その後、電解質３６と接触して配置される。制御された電流及び電圧を印加することで、表面に薄い（１０^−６メートル程度）酸化物３８の層が成長して誘電体を形成する。ε_Ｒが適度に高く（強誘電体セラミックスほど高くはないが）、ｄは機械的に作られる構造で可能な厚みよりも薄いため、１マイクロファラド（１０^−６ファラド）から数千マイクロファラドの容量値が数ボルトから数百ボルトの範囲の動作電圧で容易に達成できる。

電解質キャパシタの開発は比較的大きい容量値を経済的に可能にすることで電子機器を急激に変革した。しかし、電解質は、これらが本来的に１方向性又は極性である欠点がある。これは、製造プロセスと、金属及び電解質の化学的性質の結果である。印加電圧が最初に酸化層を形成するために使用したのと同じ極性を有する限り、キャパシタは意図した通りに機能する。しかし、電圧を逆にすると、酸化層が破壊してキャパシタは極端に漏れやすくなり、本質的な短絡を生じる。このことは電解質キャパシタの使用に特別の注意を要求し、その有用性を印加電圧が常に同じ正しい極性である電力貯蔵などの用途に限定する。

一方だけでなく、図２ｅに示されるように電解質キャパシタ４０の両方のプレートを処理することで概ね対称な特性のデバイスを生成できることは指摘の価値がある。このような対称な電解質キャパシタは、フィルターや画像イコライザーなどの例えば低インピーダンスオーディオ用途での信号処理に使用される場合がある。しかし、製造の複雑さの増大及びその結果の高い相対コストのために、対称電解質キャパシタ４０は、多くの場合、他に使用できるものが無いときの最後の手段である。より通常の手法は、単純に２つの同じ値の通常の極性電解質キャパシタを背中合わせに直列に配置することである。各キャパシタを通るその逆方向のリークはこれらの共通点を更なるバイアスを防ぐに十分に高い電圧に充電し、この１対は、その後、各要素の半分の定格値を有する単一の対称キャパシタとほぼ同様に機能する。

キャパシタの最も新しい発展であり、以下に述べる発明の一部を成すものは、いわゆる「ウルトラキャパシタ」、「スーパーキャパシタ」、「２重層」又は「電気科学」（「ＥＣ」）キャパシタである。これは、図２ｅの電解質キャパシタに広く類似するが、その「誘電性」のために、金属酸化物の代わりに、カーボンなどの半導体と他の物質の間の任意の接合に生じる表面障壁電位に依存する。図２ｆに示されるように、第２の物質が電解質３６の場合、この障壁は、１つの層がカーボン４２中の可動電子により形成され、他の層が電解質３６中の可動イオンにより形成されるいわゆる「２重層」の自発的形成により生じる。この２重層に印加された電圧は反対電荷を引き離して誘電体を形成する薄い空乏ゾーンを生成する。

この２重層は非常に薄く、しばしば１ナノメーター（１０^−９メーター）未満であり、活性炭又はカーボンアエロゲルの本体の表面積は非常に大きいため、この種のデバイスの実際の容量値は、約０．０５ファラド（５０，０００マイクロファラド）の最小値から数ファラドまでの範囲となる。この同じ厚さから欠点が生じ、このタイプの単一のキャパシタは、その構成と誘電体を形成する液体に依存して、２又は３ボルト以下の最大動作電圧に限定される。より高い電圧の為には、複数のユニットが直列に接続される必要がある。

初期の２重層キャパシタでは、多孔質カーボン４２のボディがただ１つだけ使用され、カーボンの背面の金属プレートを通してこれに１本のワイヤーが接続され、金属への他方のワイヤーは、電解質に直接接触する特別に処理されたニッケル４４で引かれていた。図２ｆに示されるこのようなデバイスは、（図２ｅに示される）電解質キャパシタと同様の特性を有し、１つの極性でだけ動作し、電圧が誤った方向に印加されると損傷又は破壊を生じ易い。そのニッケル含有量４４は値段を高価にし、起こりうる毒の放出により廃棄における特別の取扱が必要となる。

しかし、２０世紀に入ってから、技術の進歩により、一方だけでなく対称２重層キャパシタの両方のプレートにカーボンをつけることが簡単でより安価となった。このようなキャパシタが図２ｇに示されている。結果としてのキャパシタは、大量生産に適し、価格は急速に低下している。セル当たりの動作電圧は典型的には２〜３ボルトであり、図２ｈに示すように２以上のセルを直列の積層４８に接続することでより高電圧が達成し得る。印刷回路基板への搭載に適したユニットが現在では１つ約１．００ドルの低い価格で商業的に入手可能である。そのようなデバイスの１つがいずれも定格が５．５ボルトの０．０４７，０．１，０．２２，０．３３，１．０ファラドを含むELNAの「Dynacap」DXシリーズである。

しかし、この新しいカーボン−カーボン２重層キャパシタ４８の対称の特性がエネルギー貯蔵用途を遙かに超える用途を可能にすることは一般には認識されていない。考えられる原因は、前の世代の電解質キャパシタなどの高い値のキャパシタは殆どもっぱら１方向性であり、極性の反転で容易に損傷することである。電気２重層はカーボン−電解質の接合で可能になるため、そのような損傷を受けない。それが何らかの方法で破壊されると、ほとんど瞬間的に再形成される。多孔質カーボンで被覆された２つのプレートを有する現代の対称２重層キャパシタ４８では、１の極性では、１のプレートがアクティブとなって高い静電容量を提供する一方、他方が実質的に短絡として作用し、逆の極性ではこれらの役割が逆転する。

例えば、図３は、指示された「正方向」及び指示された「逆方向」の両方において典型的なELNA DX-5R5V473「Dynacap」（０．０４７ファラド、５．５ボルト）キャパシタ４８について測定された自己放電曲線を示す。それぞれのケースにおいて、キャパシタ４８は、接続された電圧計の読みが図３ａの線６０で示されるDynacapの定格最大動作電圧５．５Ｖよりも十分高い８．５０Ｖになるまで、９ボルトアルカリラジオ電池から１００オームの抵抗を通して充電された。その後、電池の接続は切られた。キャパシタの電圧は間隔を大きくしつつ測定され、時間の対数に対してプロットされた。図３ａに示すように、スムーズな曲線６２、６４が公称の「正方向」及び「逆方向」のデータ点のそれぞれにフィットされた。

連続するデータ点間の電圧変化から次の関係
Ｉ_ｉｋｇ＝ＣΔＶ／Δｔ＝０．０４７ΔＶ／Δｔ
に従って内部リーク電流が特定され、電圧の関数として対数的にプロットされた。図３ｂに見られるように、リークは（定格電流の線６０よりも高い）ポイント７０の近くの比較的高い値から、定格電圧での約４０マイクロアンペアまで低下し、その後、４〜５ボルトの範囲での約２０マイクロアンペアで（ポイント７２の近くで）高原状に至る。４ボルト未満では、リーク電流は再びより低い値に（ポイント７４の辺りで）低下する。「正方向」でのリーク値７５と「逆方向」での値７８の間で違いは有るが、この違いは、定格動作電流範囲を横切る２つの要因よりは決して大きくない。

国際公開ＷＯ２００７／０４１１１５号公報

キャパシタの典型的な用途の１つは容量結合である。特に、容量結合は、回路要素間の静電容量を用いた１の回路要素から他の回路要素への電気エネルギーの移送である。容量結合は、典型的には、結合されるべき信号に直列にキャパシタを配置することで行われる。このようなキャパシタはカップリングキャパシタと呼び得る。カップリングキャパシタは、直流電流（ＤＣ）を阻止しつつ、第１の回路からの交流電流（ＡＣ）信号のみが次の回路に通過するように２つの回路を接続するために使用される。この技術はそれぞれの回路が相互接続されるときに、それぞれの回路のＤＣバイアス設定が変化することを防ぐために使用し得る。このように、容量結合はＡＣ結合としても知られる。

カップリングキャパシタは、ＤＣ阻止キャパシタとしても知られ得る。各カップリングキャパシタは、次段の入力インピーダンスとともにハイパスフィルタを形成し、連続するフィルタはフィルタの累積の結果を生じるため、容量結合は容量的に結合されるユニットを含むシステムの低周波性能を悪化させる欠点を有する。このように、適切な低周波応答のためには、カップリングキャパシタは、（対象となる最も低い周波数での）リアクタンスが次段の入力インピーダンスよりもずっと大きくなるように、通常は十分に高い静電容量を有さなければならない。カップリングキャパシタの低周波性能が劣ると、長い時定数を有するＡ／Ｃ電気信号の伝送が複雑化し得る。

従来の装置、例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許番号５，２１７，００９号、第５，４１３，５９６号、第６，０１１，９９４号、第６，３２１，１１９号、６，５３５，７６７号、第７，１１７，０３４号、米国公開番号第２００４０２６７３３３号に記載される生体電気スティミュレーターは、出力直流電流の阻止のために背中合わせの電解質キャパシタの使用を必要とした。しかし、実際的なサイズのキャパシタでは、結合がうまくいくのは、任意の時間で不均衡な（アンバランスな）電荷量が小さい信号に限られていた。たとえ比較的短い時間であっても有意の不均衡を有する信号は歪まされる場合があった。

このように、本技術分野では、低周波性能が極めて優れる容量結合回路の必要性が存在する。そのような低周波数性能は、信号が長い時定数成分を有し得る場合に効率の良い信号伝送を可能にし得る。許容できる低周波性能を維持しつつ、直流信号成分の伝送を実質的に阻止する容量結合への必要性も存在する。更に、いくつか場合には、特に医療用途では、安全性への配慮のための直列冗長要素を含む容量結合回路への必要性も存在する。

電子機器の１の段から他の段に、外部世界からそのような段に、又は、そのような段から外部世界に１以上の２重層キャパシタを用いて低周波信号を結合させるための回路構成の方法及びクラスが記載される。２重層キャパシタは、他の電子回路デザインにおいて使用される抵抗器などの入手容易で低コストの電子部品と組み合わせることができる。

本発明の重要な特徴の１つは、エネルギー貯蔵とは区別される信号伝送のための小型で経済的な対称型２重層キャパシタの使用である。この方法は、電子機器から生体物質、例えば、生きている人や動物の体、他の生き物、又は、培地の細胞や組織への信号の導入に有益であり得る。特に小型で低価格の装置でより高い静電容量値を提供する２重層キャパシタの使用は、有意の直流を阻止しつつ、非常により少ない歪みを以て潜在的により広い範囲の信号の伝送を可能にし得る。

他の重要な特徴は、少なくとも１の端子をグランドや低電圧の他のポイントに接続した通常の２重層キャパシタとは異なり、２重層キャパシタをキャパシタの両端子を浮かせた状態で信号の伝達経路に接続できる点である。これにより、任意の直流成分を阻止しつつ、電子機器の１の段から他の段へ、外部世界からそのような段へ、又は、そのような段から外部世界へのキャパシタを介する信号の交流電流要素の通過が可能になる。この特徴は、生体への正味直流電流の印加が害のある電解質反応を生じさせ得る生体電子刺激及び同様の医療装置において特に重要であり得る。

本発明の他の重要な特徴は、うまく結合するための適切な静電容量を維持しつつ、直列に接続された複数のディスクリート２重層キャパシタ装置の使用にあり、そのようなデバイスのそれぞれが１のセル又は２以上の積層を有するかどうかに関係はない。例えば、そのようなデバイスは直列に接続することができる。

２重層キャパシタの新しい対称性は、その新しい用途を開き、そこでは、２重層キャパシタ、特に、１ファラド以下の値のものは、その何桁も高い値による特別に延長されたタイミング特性を有して他の非極性キャパシタと同様に使用され得る。例えば、このようなキャパシタは、通常、低インピーダンスが使用され、又は、いくつかの医療用途のために歪みを最小化する必要があるときの１００Ｈｚ範囲の低音域周波数（low audio frequencies）、又は、通常のインピーダンスレベルでの２０Ｈｚ以下のオーダーなどの特別に低周波数の交流電流（Ａ／Ｃ）の結合に使用され得る。他の低周波数は、これらに限定されないが、５−１５Ｈｚ帯、及び、（その信号生成技術がしばしば神経再成長のためのBorgens用途と呼ばれる１５分毎に反転する全サイクルが各３０分の）０．０００５６Ｈｚ、及び、０．０００１Ｈｚ程度に低い周波数を含み得る。追加の 低周波数は、これらに限定されないが、１ヘルツ（Ｈｚ），１ヘルツの１／１０，１／３０，１／１００，１／３００，１／１０００、１／３０００，１／１００００，１／３００００を含み得る。

このキャパシタは、これらの低周波数Ａ／Ｃ信号を、電子機器の１の段から他の段に、外部世界からそのような段に、又は、そのような段から外部世界に、その信号の直流成分を阻止しつつ、更に、特定の変化しない極性がキャパシタを横断して存在することを確かにする必要無しに、結合させることができる。

特に、この応用分野は、電子機器と、診断、治療、成長又は治癒の促進の目的、又は、いくらかの直流電流成分を意図せずに含み得る信号への延長された曝露による電解効果の危険を伴わない電気刺激及び電気生物学の分野での他の目的のための培養組織中の完全な生物（organism）、組織、細胞、人又は動物の体との間での低周波数信号の結合を含む。

米国で販売される任意の医療装置について、米国食品医薬品局は、起こりうる任意の単一の要素の故障に拘わらず安全性が維持されることを要求する。この要求を満たす単純な方法は、３つの副要素の任意の２つが安全動作のために十分なように、任意の重要な要素を３重に冗長性を持たせる「３のルール」である。３重に冗長性を持たされた直列の出力キャパシタは、低信号歪みを保ちつつ、任意の医療装置の安全動作を支持するために使用し得る。

代替的には、信号の電圧が十分に高いために必要な場合には、すべてがその指定された電圧範囲で動作できるように３を越える個数のディスクリートのデバイスを使用することもできる。

本発明の更に他の重要な特徴は、例えばいくつか例を挙げると、７，１６，３６，１２０，１５０，５００，１２００，１５００秒のオーダーなどの長い時定数を維持しつつ典型的な生体物質のインピーダンスを整合（match）させるために、２重層キャパシタを比較的低い値の抵抗器とともに使用することである。長い時定数の他の値には、これらには限られないが、１０，３０，１００，３００，１０００，３０００、或いは、潜在的には、１万秒のオーダーのものが含まれる。

抵抗負荷に容量的に結合した印加電圧又は電流の段については、遅延時間、又は、信号が元の値の１／ｅ又は約３６．８％に減衰する時間は、Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３等及びＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３等をすべて直列に接続された抵抗値及び静電容量値として、
Ｔ＝（Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３＋・・・）／（１／Ｃ_１＋１／Ｃ_３＋１／Ｃ_３＋・・・）
で与えられる。すべての個々の抵抗値が単一の等しい直列抵抗Ｒｓで、すべての個々の静電容量が単一の等しい直列静電容量Ｃｓで置き換えられると、遅延時間は単純に、
Ｔ＝ＲｓＣｓ
で与えられ、従って、所与の必要な遅延時間を維持するには、Ｒｓが減少すれば比例する量だけＣｓが増加しなければならない。殆どの生体物質、システムのようにＲｓが小さい場合には、十分な伝送には大きなＣｓが必要となる。 ２重層キャパシタ、特に、冗長性のある「３のルール」に従う構成は、各キャパシタの値が、複数のキャパシタを直列に接続することによる損失を相殺するために十分に高ければ、この上記の長い時定数の維持を可能にする。

例えば、結果としての結合回路は、特別に長い時定数（１０，３０，１００，３００，１０００，３０００又は潜在的には１００００秒程度の長さ）と、大きい電荷移動（０．２５クーロンのオーダー）と、従って、信号の任意の直流電流成分をなおも阻止しつつ、特別に低い周波数、又は、特に２０Ｈｚ未満の低周波数要素を含む信号又の、診断、治療又は成長や治癒の促進を目的とする、例えば、生体物質への結合を可能にする。

発明の開示に記載した容量結合回路の議論は説明のみを目的とする。本発明の種々の側面は、後述の開示された実施形態の詳細な説明及び図面及びそれに続く請求の範囲を精査することでより明確に理解され、認識され得る。更に、本発明の他の側面、システム、方法、特徴、利点及び目的は、後述の図面及び詳細な説明を精査することで当業者に明らかとなる。すべてのそのような側面、システム、方法、特徴、利点及び目的は、本明細書に含まれることが意図され、本発明の範囲に含まれることが意図され、添付請求の範囲により保護されることが意図されている。

図１ａ及び１ｂは従来技術の一般的なキャパシタの概略図である。 図２ａ−２ｈは、種々の異なる技術を用いて作成された従来技術のキャパシタの一群の概略断面図である。 図３ａ及び３ｂは、従来の商業的に入手可能な２重層キャパシタの自己放電特性及び計算された内部漏れ電流を示す１対のグラフである。 図４は、冗長電解質キャパシタを用いた従来技術の生体電子刺激装置の出力部分の概略図である。 図５は、本発明の１例示的実施形態に従う「３のルール」に従う２重層キャパシタを用いて再構成された同様の出力部分の概略図である。 図６ａ−６ｃは、本発明の１例示的実施形態に従う図４，５の結合方法を用いた典型的な生体システムのインピーダンスをシミュレートした標準テスト負荷に結合された波形の比較である。 図７は、本発明の１例示的実施形態に従う第１回路及び第２回路の間で信号を結合する２重層キャパシタを示す。 図８は、本発明の１例示的実施形態に従う第１回路及び第２回路の間で信号を結合する直列の３つの２重層キャパシタを示す。 図９は、本発明の１例示的実施形態に従う２重層キャパシタを用いた２つの回路間でのＡ／Ｃ電気信号の結合のプロセスの論理フローダイアグラムである。 上記図面を参照して本発明の多くの側面をより良く理解できる。図面に示される要素及び特徴は、スケール通りではなく、むしろ本発明の例示的実施形態の原理を明瞭に説明することに力点が置かれている。更に、ある寸法はそのような原理を視覚的に伝えることを助けるために誇張されている場合がある。図面では、参照番号は、いくつかの図を通して必ずしも同一ではないが同様若しくは対応する要素を示す。

本発明は、多くの異なる形態で実現することができ、本明細書に説明される実施形態に限定されると解釈されるべきでなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が十分で完全であり、本技術分野の当業者に本発明の範囲が完全に理解されるように提供される。更に、本明細書中のすべての「例」、「実施形態」は非限定的であり、特に、本発明の表現により支持されることが意図されている。

本発明は、電子機器の１の段から他の段に、外部世界からそのような段に、又は、そのような段から外部世界に、例えば抵抗器などの他の容易に入手できる低価格の電子要素と結合された１以上の２重層キャパシタの使用を介して低周波信号を結合させるための回路構成の方法及びクラスを含む。少なくとも１の端子をグランドや何らかの他の固定電位に接続した通常の２重層キャパシタの従来の用法とは異なり、２重層キャパシタは、キャパシタの両端子を浮かせた状態で信号の伝達経路に接続できる。本発明は、特定の強さと波形の信号が成長や治癒の促進などの所望の反応を引き出すために生体物質に印加される生体電子刺激の分野に応用できる。

従来の生体電子信号の生成装置の出力部分の例は、参照によりその全体が本願に組み込まれる米国特許第６，５３５，７６７号に開示されており、また、図４に示されている。

１０２，１０３と、スイッチ１０６の位置による決定により１群の抵抗器１０４ａ、１０４ｂ，１０４ｃから選択される１つを含む直列の３つの冗長抵抗器が存在する。これらの抵抗器の値は、これらの任意の１つが短絡により故障した時に、残りの２つがドライバ１０８及び回路の他のどこかに分配された他の抵抗と共同して、出力端子１１０の電流を安全なレベルに制限するのに十分なように計算される。しかし、抵抗器単独では、それ自身直流信号から交流電流を識別できず、従って、安全な使用のために同様に必要とされるように端子１１０の信号が電荷的に均衡している（すなわち、ＤＣ成分を有さない）ことを確かにはできない。

ダイオード１０３，１０５は、回路動作に本質的ではないが、電流が流れていることを示す視覚的又は電子的指示を提供する。これらのダイオードの少なくとも１つは、図の１０５で示されるように、発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、これは、可視のＬＥＤ又は例えばマイクロプロセッサへの電子的入力を提供する光学アイソレータの赤外線ＬＥＤであり得る。代替的には、両ダイオード１０３，１０５がＬＥＤであり得る。図示のように（それぞれのアノードが他方のカソードに接続される）逆平行（非平行）の態様で配列されたダイオードでは、このペアは高周波信号を通過させ、流れる電流に応じた光を出射することができる。これは、バッテリーが適切な動作電圧を提供しており、それが給電するすべての回路ブロックが正しく機能しており、電流が端子１１０に接続された負荷に適切に流れていることの指示を同時に提供する。

同様に図４に示されるのはキャパシタ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄである。これらは、その任意の１つが故障したときに同一極性に接続された他方のユニットが出力からの直流をブロックし、従って、安全動作を確実にするためになおも十分であるように、それぞれ２つの背中合わせのペアを形成している。

残念なことに、キャパシタがこの方法で直列に接続されると、全静電容量は、Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３等をそのように接続された個々の静電容量として、
Ｃｓ＝１／（１／Ｃ_１＋１／Ｃ_３＋１／Ｃ_３＋・・・）
で与えられる。すべてのユニットが同じ値であれば、この式は、Ｎを個々のユニットの数、Ｃをそれぞれの値として、単純に、
Ｃｓ＝Ｃ／Ｎ
となる。例えば、この態様で４つの連なりに接続された１０マイクロファラドのユニットでは、結果としての直列の値はわずか２．５マイクロファラドである。５００オームの典型的な生体負荷に直列に置かれたこの連なりでは、結果としての遅延時間はわずか１．２５ミリ秒であり、印加し得る信号及び周波数の範囲を厳しく制限する。より長い時定数、従って、より広い動作周波数範囲はより大きい値のキャパシタを用いて達成できるが、増大するサイズ、容積、価格及び重さの不利益を伴う。

図５には本発明に従う２重層キャパシタを用いて再描画された図４と同じ出力結合部が示されている。少なくとも３つのそのようなキャパシタ１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃが使用され、従って、「３のルール」が満たされている。単位動作電圧は、短絡のような任意のキャパシタの故障の際に、残りのユニットが一緒になってその定格電圧を超えることなく、なおも直流電流信号を安全に阻止するように選択される。例えば、最大印加電圧が９ボルトのときは、ELNA DXシリーズのキャパシタなどの３つの５．５ボルト２重層キャパシタを使用することができ、その任意の２つが安全動作を満足する。

DXシリーズで最も値の低いデバイスであるその特性が図３に示されるDX5R5V473を用いると、各デバイスは０．０４７ファラドの静電容量を有し、従って、３つの連なりは約０．０１５７ファラド：１５，７００マイクロファラド、又は、図４の対応する連なりの６０００倍以上の直列静電容量を有する。再度、信号をこのような連なりを介して５００オームの生体負荷に印加すると、結果としての時定数は７．８３秒である。更に長い時定数は、同じシリーズ又は表１に示すような標準の１０％公差ストック値を有するこれと類似のシリーズの他のデバイスを用いて容易に達成することができる。例えば、より長い時定数には、これらに限定はされないが、いくつか例を挙げれば、（表１に示すように）７，１６，３６，１２０，１５０，５００，１２００，１５００秒のオーダーのものが含まれる。長い時定数の他の値には、これらに限定はされないが、１０，３０，１００，３００，１０００，３０００、或いは、潜在的には１００００秒もの長さのオーダーのものが含まれうる。従って、本発明により支持されるいくつかの時定数は、１０から１００００秒の間と、他の範囲、例えば、１００と１０００秒の間で変動し得る。

これは、例えば２０Ｈｚと０．０００１Ｈｚの間のオーダーなどの低周波数Ａ／Ｃ信号送信（signaling）の広く新しい範囲を開き、これは生体刺激において偉大な値であることが示され得る。追加的な低周波数には、これらには限定されないが、１ヘルツ（Ｈｚ）、１ヘルツの１／１０，３／１０，１／１００，３／１００，１／１０００，３／１０００，１／１００００及び３／１００００が含まれ得る。しかし、他の低周波数は発明の範囲を超えない。

例えば、麻痺研究のパーデューセンターのディレクターであるリチャードボーゲンなどにより、神経再成長は極性が概ね１５分毎に反転する非常に低い周波数の方形波によって刺激されることが示されている。それぞれが１０ファラドの値の直列に接続された３つの２重層キャパシタの使用は、受け入れられない信号歪み無しに、また、処置される組織を有害な電解効果に曝すことなく、そのような信号を、５００オームの典型的な生体負荷に導入することを可能にし得る。

本発明により生成される低周波数には、これらに限定されないが、０．０００５６Ｈｚ（１５分毎に反転、全サイクル３０分毎、この信号生成技術は、しばしば、神経再成長のためのボーゲン用途と呼ばれる）及び０．０００１Ｈｚもの低さの周波数とともに、５−１５ヘルツ帯が含まれる。追加的な低周波数には、これらに限定はされないが、１ヘルツ（Ｈｚ）、１ヘルツの１／１０，３／１０，１／１００，３／１００，１／１０００，３／１０００，１／１００００及び３／１００００が含まれ得る。しかし、他の低周波数は発明の範囲を超えない。

図６は、図４の従来技術の出力部の信号結合特性を本発明を採用した図５のそれとを比較し、示す。図６ａの軌跡１２０はドライバ１０８からの差動出力電圧を示す。この信号は、等化パルス１２４が後続する短い非対称のパルスの列１２２の形態を取り、この等化パルス１２４は、列１２２において正及び負の極性で経過した時間差にほぼ等しくされているために、電気的バランスを正味電荷ゼロ（ＤＣ電流なし）に回復させる。しかし、実際の装置では、故障や値変化がこのバランスに影響を与えないことを保証はできないため、容量的ＤＣ阻止がなおも安全性のために必要とされる。望ましくは、列１２０と同じ電圧パターンが、処置される生体物質に渡って、殆ど変化せずに再現される。

従来技術の図６ｂの軌跡１２６は、端末１１０の間に配置された典型的な生体負荷に対応する５００オーム抵抗の両端に現れる出力部からの信号形状を示す。キャパシタ１１２ａから１１２ｄの組み合わせにより導入された歪みは、列１２２の長さに沿った電圧の衰えの形態で明瞭に見ることができ、その結果、時間とともに正のパルスの強さが減少し、一方で、負のパルスの強さが増加している。等化パルス１２４が劇的にそうであるが、すべてのパルスが形状においても顕著に歪んでいる。

本発明の１実施形態の図６ｃの軌跡１２８は、キャパシタ１２２ａ〜１２２ｄを上記のような３つの２重層キャパシタ１２４ａ〜１２４ｃに置換したときの同じ信号を示す。示されるように、印加電圧と負荷の両端に現れる電圧の間に認めうる歪みは見られない。

ここで図７，８を参照すると、図７は本発明の１例示的実施形態に従う第１回路７００ａと第２回路７００ｂの間で信号７１０を結合する２重層キャパシタ４６を示す。導体２０ａ，２０ｂは、第１回路７００ａを結合キャパシタ４６に、結合キャパシタを第２回路７００ｂに相互接続するように機能する。この相互接続は、交流電流（Ａ／Ｃ）電気信号７１０の１の回路から他方への２重層キャパシタ４６を介する導電経路を提供する。

キャパシタ４６は、キャパシタ４６が第１回路７００ａと第２回路７００ｂの間で結合させるすべての信号７１０の直流電流（ＤＣ）成分を実質的に阻止し得る。しかし、キャパシタ４６は、キャパシタ４６が第１回路７００ａと第２回路７００ｂの間で結合させるように機能するＡ／Ｃ信号に含まれる他の低周波エネルギーの実質的な部分を結合させ得る。

この２重層キャパシタは、例えば上記のような２面のカーボンスーパーキャパシタ４６などの、対称２重層特性を示す任意のキャパシタを含み得る。代替的には、望ましさは低いが、示された各キャパシタは、図４に示されたキャパシタペアと同様の背中合わせの構成の２つの等価な非対称のスーパーキャパシタで置換し得る。図２ｇについて上記したように、そのようなキャパシタは、１の層がカーボン４２の可動電子により、他の層が電解質３６の可動イオンにより形成されるときに、所望の２重層を形成し得る。この２重層の両端に印加された正しい極性の電圧は、反対電荷を引き離し、キャパシタの誘電体を形成する薄い空乏層が残される。より一般的には、誘電体は、カーボンなどの半導体と他の物質の間の任意の接合に生じる表面障壁電位に基づく。

２重層キャパシタは、図２ｈに関して述べた積層キャパシタ４８をも含み得る。直列に配置された多重キャパシタも図８ａに示されるように使用し得る。図８ａのキャパシタは、図示のようにそれぞれが２重層キャパシタユニット４６、或いは、それぞれが積層キャパシタ４８（図２ｈ参照）毎に２，３又はそれ以上のセルを有する積層２重層キャパシタセル４８であり得る。直列及び／又は積層キャパシタは、信号経路に冗長性を提供し、負荷を１以上の個々のキャパシタ４６の故障から保護し得る。そのような冗長性の例は上記した「３のルール」である。

例示的な実施形態（不図示）では、回路７００ａは生体物質に結合した２重層キャパシタユニット４６に結合し得る。生体物質は、生きている生物を含み得る。例えば、生きている生物は培養組織、細胞、生きている人、生きている人以外の動物及び他の同様の生きている生物を含み得る。

図７，８に示されるキャパシタは、平行プレート１２ａ，１２ｂキャパシタとして示されているが、これらは、２重層、スーパーキャパシタ、又は、ウルトラキャパシタ効果を達成する本技術分野で知られた他の任意の形状又は電気化学的構造を有し得る。他の形状の例は、ラップされたコイル、同心プレート、積層されたプレート、放射状に重ね合わされたプレート、表面積を増大させるように処理され又は粗された（textured）表面を有するプレートであり得る。キャパシタ４６内の物質は、例えば、カーボン、シリコン、ゼラニウム、ガリウムヒ素、ドープされた半導体、これらの組み合わせ、又は、任意の他の半導体、電解液、ガス、電解質ゲル、電解質ペースト、固体電解質、電解質マトリクス、又は、任意のそのような電解質物質の組み合わせ；及び、銅、ニッケル、アルミ、任意の他の導体、金属酸化物、酸化ケイ素、又は、任意の合金、又は、その組み合わせなどの金属や酸化物層を含み得る。

ここで図９を参照すると、この図は、本発明の１例示的実施形態に従う２重層キャパシタを用いてＡ／Ｃ電気信号を１の回路と１の要素の間で結合する方法の論理流れ図を示す。この要素は、他の回路又は生体物質を含みうる。以下のすべての論理流れ図に示されるプロセス又はプロセスフローのあるステップは、本発明が記述のように動作するためには、自然に他に先行する必要がある。しかし、記述のステップの順序又は連続が本発明の機能を変更しないのであれば、本発明はそのような順序には限定されない。すなわち、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、いくつかのステップは他のステップの前に、後に、又は、平行して実施され得る。

Ａ／Ｃ電気信号を１の回路と１の要素の間で結合するために２重層キャパシタを使用する方法９００はステップ９１０で開始することができ、ステップ９１０では、第１回路７００ａからのＡ／Ｃ電気信号７１０が第１導体２０ａに供給される。

続いて、ステップ９２０では、Ａ／Ｃ電気信号７１０は第１導体２０ａに沿って伝搬する。この導体は第１回路７００ａと２重層結合キャパシタ４６の間で電気導通状態であり得る。

続いて、ステップ９３０では、Ａ／Ｃ電気信号７１０は第１回路７００ａから２重層キャパシタに導通する。このキャパシタ４６はここでは結合キャパシタとして使用される。２重層キャパシタ４６は、２重層キャパシタ特性を示す単一のキャパシタセルであり得、又は、１以上のそのようなキャパシタの直列接続であり得、又は、１以上の積層キャパシタ４８であり得る。そのような２重層キャパシタは、スーパーキャパシタ又はウルトラキャパシタとしても知られる。

続いて、ステップ９４０では、Ａ／Ｃ電気信号７１０は２重層キャパシタ４６を介して結合する。２重層キャパシタ４６を介するＡ／Ｃ電気信号の結合は、Ａ／Ｃ電気信号７１０の交流成分の伝搬と考え得る。

ステップ９５０では、Ａ／Ｃ電気信号７１０の任意の直流電流（ＤＣ）成分がキャパシタ４６を介して結合することが阻止される。ステップ９６０では、Ａ／Ｃ電気信号は、２重層キャパシタ４６から第２導体２０ｂに伝導する。第２導体２０ｂは、キャパシタ４６の第２プレート１２ｂと電気伝達状態であり得る。

続いて、ステップ９７０では、Ａ／Ｃ電気信号７１０は第２導体２０ｂに沿って伝搬する。最後に、ステップ９８０でＡ／Ｃ電気信号は第２導体２０ｂから図８の第２回路７００ｂのような要素や生体物質などの要素に伝達される。伝達された信号は、ステップ９１０で元々供給された信号と実質的に類似するが、すべての直流電流（ＤＣ）成分は２重層キャパシタによって実質的に阻止される。Ａ／Ｃ信号の伝達は、優れた低周波特性を示し、長い時定数を有する信号７１０の伝導に好適であり得る。

例えば、本発明による長い時定数は、これらには限定されないが、幾つか例を挙げれば、７，１６，３６，１２０，１５０，５００，１２００，１５００秒のオーダーのものを含み得る。従って、本発明に支持される時定数は、５〜７２００秒の間、又は、１５０と１２００秒の間などの範囲で変動し得る。本発明により支持される低周波Ａ／Ｃ信号は、これらには限定されないが、２０Ｈｚと０．０００１Ｈｚの間のオーダーなどの周波数の信号を含み得る。

２重層キャパシタ４６を介してＡ／Ｃ電気信号を結合させるステップは、単一層キャパシタ３０がＡ／Ｃ電気信号７１０の低周波成分を結合させるよりも効率的にＡ／Ｃ電気信号７１０の低周波信号を結合させ得る。

上記説明は、本発明の原理を説明したものとのみ理解される。当業者は多数の改変や変更が容易に相当できるため、記述され、示されたそのままの構成及び動作に本発明を限定することは希望されず、従って、すべての適切な改変及び等価物は本発明の範囲内に入るものと解釈され得る。このように、添付請求の範囲により規定される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、本明細書に記載した好ましい実施形態に対する多くの変更及び代替が可能であることが当業者に明らかである。更に、本発明の範囲は、後述の請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (47)

1. 第１外部回路と電気伝達状態にある第１導体と、
   第２外部回路と電気伝達状態にある第２導体と、
   前記第１外部回路と前記第２外部回路の間でＡ／Ｃ電気信号を結合し、更に、前記Ａ／Ｃ電気信号の直流電流成分を実質的に阻止するように動作可能な前記第１導体と前記第２導体の間の２重層キャパシタ要素とを有する結合回路。
2. 前記２重層キャパシタ要素が電解物質と接触する半導体を含む請求項１に記載の結合回路。
3. 前記２重層キャパシタ要素が電解物質と接触する第１半導体と、前記電解物質に接触する第２半導体を含む請求項１に記載の結合回路。
4. 前記２重層キャパシタ要素が直列に接続された複数の２重層キャパシタを含む請求項１に記載の結合回路。
5. 前記２重層キャパシタ要素が１以上のウルトラキャパシタを含む請求項１に記載の結合回路。
6. Ａ／Ｃ電気信号が不均衡な電荷を含む請求項１に記載の結合回路。
7. 前記２重層キャパシタ要素と接続された抵抗器を更に有し、
   前記抵抗器が前記第１外部回路と前記第２外部回路の間のインピーダンス整合を改善するように動作可能な請求項１に記載の結合回路。
8. 更に抵抗器を有し、
   前記抵抗器及び前記２重層キャパシタ要素が時定数を形成するように動作可能である請求項１に記載の結合回路。
9. 更に抵抗器を有し、
   前記抵抗器及び前記２重層キャパシタ要素が１０秒を超える時定数を生成する請求項１に記載の結合回路。
10. 更に抵抗器を有し、
    前記抵抗器及び前記２重層キャパシタ要素が３０秒を超える時定数を生成する請求項１に記載の結合回路。
11. 更に抵抗器を有し、
    前記抵抗器及び前記２重層キャパシタ要素が１００秒を超える時定数を生成する請求項１に記載の結合回路。
12. 更に抵抗器を有し、
    前記抵抗器及び前記２重層キャパシタ要素が１０００秒を超える時定数を生成する請求項１に記載の結合回路。
13. 更に抵抗器を有し、
    前記抵抗器及び前記２重層キャパシタ要素が約２０Ｈｚ、又は、２０Ｈｚ未満の周波数を生成する請求項１に記載の結合回路。
14. 更に抵抗器を有し、
    前記抵抗器及び前記２重層キャパシタ要素が概ね５と１５Ｈｚの間の周波数を生成する請求項１に記載の結合回路。
15. 更に抵抗器を有し、
    前記抵抗器及び前記２重層キャパシタ要素が概ね１と３／１０００Ｈｚの間の周波数を生成する請求項１に記載の結合回路。
16. ２重層キャパシタ要素を用いて回路と負荷の間で信号を結合させる方法であって、
    交流電流（ＡＣ）及び直流電流（ＤＣ）成分の双方を含む信号を第１導体に供給するステップと、
    前記信号を第１導体に沿って２重層キャパシタ要素に伝搬させるステップと、
    前記信号の前記ＡＣ成分を前記２重層キャパシタ要素を介して結合させるステップと、
    前記信号の前記ＤＣ成分を前記２重層キャパシタによって阻止するステップと、
    前記ＡＣ成分のみを含む前記信号を前記２重層キャパシタから第２導体に伝搬させるステップと、
    前記第２導体からの前記信号を前記負荷に伝達するステップとを含む方法。
17. 前記信号を前記第１導体に沿って２重層キャパシタ要素に伝搬させるステップが、更に、前記信号を単一の２重層キャパシタを介して結合させるステップを含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記信号を前記第１導体に沿って２重層キャパシタ要素に伝搬させるステップが、更に、前記信号を複数の２重層キャパシタを介して結合させるステップを含む請求項１６に記載の方法。
19. 前記第２導体からの前記信号を前記負荷に伝達するステップが、前記第２導体からの信号を生体物質に伝達させるステップを更に含む請求項１６に記載の方法。
20. 前記第２導体からの前記信号を前記負荷に伝達するステップが、前記第２導体からの信号を他の回路に伝達させるステップを更に含む請求項１６に記載の方法。
21. ２つの要素間でＡ／Ｃ信号を伝搬させる結合回路であって、
    前記２つの要素の間の信号伝送経路に接続された１以上の２重層キャパシタ要素を有し、
    それぞれのキャパシタが端子を有し、
    それぞれのキャパシタのそれぞれの端子がグランドと固定電圧のうちの１つに対してフローティング状態で動作することを特徴とする結合回路。
22. 前記２つの要素が電子装置の部分であり、前記信号伝達経路が前記電子装置の１の段から他の段への経路である請求項２１に記載の結合回路。
23. 前記信号伝達経路の方向が外部環境から電子装置である請求項２１に記載の結合回路。
24. 前記信号伝達経路の方向が電子装置から外部環境である請求項２１に記載の結合回路。
25. 前記信号伝達経路の方向が電子装置から生体物質である請求項２１に記載の結合回路。
26. 前記生体物質が生きている人の体を含む請求項２５に記載の結合回路。
27. 前記生体物質が生きている動物の体を含む請求項２５に記載の結合回路。
28. 前記生体物質が人又は動物以外の生きている生物を含む請求項２５に記載の結合回路。
29. 前記生体物質が培地の生体細胞を含む請求項２５に記載の結合回路。
30. 前記生体物質が培地の組織を含む請求項２５に記載の結合回路。
31. 前記２重層キャパシタ要素が直列に接続された複数のセルを含む請求項２１に記載の結合回路。
32. 複数の２重層キャパシタ要素を更に有し、
    そのそれぞれが、直列に接続された複数のセルを含む請求項２１に記載の結合回路。
33. 前記複数の２重層キャパシタ要素が３つの２重層キャパシタを含む請求項２９に記載の結合回路。
34. 前記複数の２重層キャパシタ要素が特定の電圧範囲で動作する２重層キャパシタを含む請求項３３に記載の結合回路。
35. 前記ＡＣ信号が不均衡な電荷量を含むＤＣ信号成分を伴う請求項２１に記載の結合回路。
36. 前記不均衡な電荷量がある期間に渡って存在する請求項３５に記載の結合回路。
37. 前記２重層キャパシタ要素が６秒以上の大きさを有する時定数を維持しつつ生体物質のインピーダンスを整合させるために抵抗器とともに使用される請求項２１に記載の結合回路。
38. 前記時定数が３０秒以上の大きさを有する請求項３７に記載の結合回路。
39. 前記時定数が１００秒以上の大きさを有する請求項３７に記載の結合回路。
40. 前記時定数が３００秒以上の大きさを有する請求項３７に記載の結合回路。
41. 前記時定数が１０００秒以上の大きさを有する請求項３７に記載の結合回路。
42. 前記時定数が３０００秒以上の大きさを有する請求項３７に記載の結合回路。
43. 前記時定数が１００００秒以上の大きさを有する請求項３７に記載の結合回路。
44. 前記２重層キャパシタ要素が約２０Ｈｚ又は２０Ｈｚ未満の周波数を生成するために抵抗器とともに使用される請求項２１に記載の結合回路。
45. 前記２重層キャパシタ要素が２０Ｈｚ未満の周波数を生成するために抵抗器とともに使用される請求項２１に記載の結合回路。
46. 前記２重層キャパシタ要素が概ね５Ｈｚと１５Ｈｚの間の周波数を生成するために抵抗器とともに使用される請求項２１に記載の結合回路。
47. 前記２重層キャパシタ要素が概ね１Ｈｚと３／１００００Ｈｚの間の周波数を生成するために抵抗器とともに使用される請求項２１に記載の結合回路。

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