(57)【要約】生鮮品の環境条件をモニタリングするためのシステム及び方法を開示する。該システムは、生鮮品の一つ以上の環境条件を検知するよう構成された環境センサと、該環境センサと連通するアナログ積算器とを含み、アナログ積算器はポリマー基板上に形成され、一つ以上の調節可能なな構成部品を含む。また、該システムは、アナログ積算器と連通しアナログ積算器の出力が選択された閾値レベルに達すると状態を変化するよう構成されたコンパレータと、コンパレータ及びアナログ積算器と連通する制御モジュールとを含む。制御モジュールは、コンパレータの出力に基づいてアナログ積算器の動作を制御するよう構成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
生鮮品の一つ以上の環境条件を検知するよう構成された環境センサと、
ポリマー基板上に形成され、一つ以上の調節可能な構成部品を含む、該環境センサと連通するアナログ積算器と、
該アナログ積算器と連通し、該アナログ積算器の出力が選択された閾値レベルに達している場合、状態を変化するよう構成されたコンパレータと、
該コンパレータの出力に基づいて、該アナログ積算器の動作を制御するよう構成されている、該コンパレータ及び該アナログ積算器と連通する制御モジュールとを含む、
生鮮品の環境条件をモニタリングするシステム。
【請求項２】
生鮮品に関連して使われるラベル、タグ、パッケージ、又は包装材料の一部を形成する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
環境センサが、温度センサ又は湿度センサを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
ポリマー基板が、ＰＥＴ又はポリアミドを含む、請求項１記載のシステム。 
【請求項５】
アナログ積算器が、
第一入力端子、第二入力端子、及び出力端子を含むオペアンプと、
ポリマー基板上に形成され、該オペアンプの第一入力端子と出力端子との間に接続されたアキュムレータとを含む、
請求項１記載のシステム。
【請求項６】
アキュムレータが、並列に接続された充電コンデンサとトリミング・コンデンサとを含む、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
一つ以上のコンデンサが、ダイカット、ロールツーロール・シート積層工程を使って形成される、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
一つ以上の調節可能な構成部品が、少なくとも一つのコンデンサを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
制御モジュールが、コンパレータの状態の変化を検出し、リセット制御信号を積算器に送信し、到達した閾値イベントのカウントを計算するよう構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
制御モジュールが、マイクロコントローラを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
制御モジュールと連通するインジケータドライバをさらに含み、該インジケータドライバが、選択された数の閾値イベントが発生すると警報表示を作動するよう構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
インジケータドライバに結合されたディスプレイ及び／又は音響発生器をさらに含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
制御モジュールに結合された送受信器、リアルタイムクロック、及び／又は非揮発性メモリをさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
第一アナログ積算器に結合された湿度センサと、
第二アナログ積算器に結合された温度センサと、
該第一アナログ積算器に結合された第一コンパレータと、
該第二アナログ積算器に結合された第二コンパレータと、
該湿度センサ及び該温度センサに結合されたアナログデジタルコンバータと、
該第一及び第二アナログ積算器、該第一及び第二コンパレータ、及び該アナログデジタルコンバータに結合された制御モジュールとを含む、
システム。
【請求項１５】
第一及び第二アナログ積算器が、一つ以上の調節可能な構成部品を含む、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
第一及び第二アナログ積算器が、ポリマー基板上に作製されている、請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
制御モジュールが、マイクロコントローラを含む、請求項１４記載のシステム。
【請求項１８】
制御モジュールに結合された一つ以上のインジケータドライバをさらに含む、請求項１４記載のシステム。
【請求項１９】
インジケータドライバに結合されたディスプレイ及び／又は音響発生器をさらに含む、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
制御モジュールに結合された、送受信器、リアルタイムクロック、及び／又は非揮発性メモリをさらに含む、請求項１４記載のシステム。
【請求項２１】
ポリマー基板の上面に形成された第一容量性プレート及び該ポリマー基板の下面に形成された第二容量性プレートを含むコンデンサを作製する工程であって、該第一及び第二容量性プレートが容量性プレート材料を含む、工程と、
該コンデンサの静電容量を測定しながら、選択された静電容量に達するまで容量性プレート材料を除去する工程と、
生鮮品の一つ以上の環境条件をモニタリングすることのできる環境センサからの入力信号を受信するよう構成されたアナログ積算器回路の中に、該コンデンサを組み込む工程とを含む、
生鮮品の環境条件をモニタリングするシステムを調節する方法。
【請求項２２】
容量性プレート材料を除去する工程が、ロボット・レーザー切削装置を使用する工程を含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
容量性プレート材料が、積層化され金属化されたポリエステルフィルム・レイヤに形成された導電材料を含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
ポリエステルフィルムが、マイラー（Ｍｙｌａｒ）を含む、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
ポリエステルフィルムが、アルミニウム、銀又は金で金属化される、請求項２３記載の方法。
【請求項２６】
ポリマー基板が、ＰＥＴ、ポリアミド、又はポリプロピレンを含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２７】
生鮮品に関連して使われるラベル、タグ、パッケージ、又は包装材料の中にアナログ積算器回路を組み込む工程をさらに含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２８】
環境センサが、温度センサ又は湿度センサを含む、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景技術
本開示の態様は、一般的に、温度、湿度、及び／又は他の環境的又は化学的アナログ変数をモニタリングする方法及び装置に関する。さらに具体的には、以下に限らないが、これら態様は、腐敗損傷などの製品の濫用の検出、及び／又は製品、機器、又は消耗品の鮮度レベル又は環境的な濫用の検出に関する。
【０００２】
関連出願
本出願は、２００４年１２月２４日に出願された米国特許仮出願第６０／６３９，１１７号、名称ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＡＮＤ  ＨＵＭＩＤＩＴＹ  ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ（温度及び湿度のモニタリング装置及び方法）、及び、２００５年１２月２３日にトーマス・ジェンセン（Ｔｈｏｍａｓ  Ｊｅｎｓｅｎ）により出願された米国特許出願第  ／    号、名称ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ  ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ  ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ（環境条件をモニタリングするためのシステム及び方法）（代理人整理番号ＰＡＫＳ．１０４）に対する優先権を主張し、これらの開示の全体を、参照により本明細書に組み入れられる。
【０００３】
本出願が解決する問題の前置きとして、スマートラベル及びスマートパッケージング製作の技術において、温度、湿度、又は他の変数の時間的累計の測定ができることが一般に望まれている。このような累計測定を用いて、望ましくない環境条件に曝露された程度を表すことができる。時間温度積算（ＴＴＩ）及び時間湿度積算（ＴＨＩ）は、製品の濫用又は鮮度レベルの測定に使われる有益な測定基準といったものの2つである。
【０００４】
このような測定を達成するため、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）を、浮動小数点アルゴリズムを実行する論理処理ユニットと組み合わせて使うことで、高い精度が得られることが当該技術で公知である。該ユニットに換えて、マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）又はデジタルシグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）といった種類の処理プラットフォームを使うこともできる。
【０００５】
このような処理回路をスマートラベル及びスマートパッケージングに組み込むために必要な部品コストを考慮した場合、完全カスタムの特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）を用い、最小レベルの集積（ディープサブミクロン）にしても、通常のパッケージング状況で使うには部品コストが高すぎる。コスト対応の面から、スマートラベル及びスマートパッケージング・デバイス用のより低コストで、より低電力の回路構成への必要が増している。
【０００６】
概要
本出願の回路の構成及び製作方法は、例えばポリエチレン（ＰＥＴ）又はポリアミドのようなポリマーを含む基板上に直接回路素子を構築し、アナログ積算方法を用いる信号処理を提供する。
【０００７】
インクジェット印刷工法を用いて、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、ＬＥＤ、及びハイグレード伝導体のような回路素子をＰＥＴ基板の上に直接形成できることが当該技術分野において知られている。本開示では、これらの方法を用い、シリコン・ベースの回路の使用と組み合わせて、低コストの温度及び湿度の積算及び表示回路を実現する。
【０００８】
アナログ回路は、長期の時間にわたって（温度又は湿度のような）変数の積算値の測定に使用した場合、ドリフトを生じ精度が失われる可能性がある。アナログ構成部品の許容幅の問題に起因して、市販のチップ抵抗器及びコンデンサを使って約０．１％より高い精度レベルを得るのは困難である。回路のパーツを調節したり、高精度の構成部品の許容差を特定することは可能であるが、コストは上がる。
【０００９】
本出願で開示する装置は、レーザ切削によるトリミングが可能で、これにより高い精度を達成することができる。これと、サンプリング及びカウント法の使用による他の側面とを組み合わせて、必要とされる、スマートラベル及びスマートパッケージング用途に適した長期的な積算を行うための精度ある方法が得られる。
【００１０】
一つの態様において、積算器（ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ）は、ポリマー基板及びオペアンプを含み、オペアンプは、第一入力端子と第二入力端子と出力端子とを含む。累算器は、ポリマー基板上に形成され、オペアンプの第一入力端子と出力端子との間につながれたアキュムレータをさらに含む。
【００１１】
別の態様において、生鮮品の環境条件をモニタリングするためのシステムが開示される。該システムは、生鮮品の一つ以上の環境条件を検知するよう構成された環境センサ、及び環境センサと連通しているアナログ積算器を含み、アナログ積算器は、ポリマー基板上に形成され、一つ以上の調節可能な構成部品を包含する。該システムは、アナログ積算器と連通し、アナログ積算器の出力が選択された閾値レベルに達すると状態を変化するよう構成されたコンパレータと、コンパレータ及びアナログ積算器と連通する制御モジュールとをさらに含む。制御モジュールは、コンパレータの出力に基づいてアナログ積算器の動作を制御するよう構成されている。
【００１２】
別の態様において、システムは、第一アナログ積算器に結合された湿度センサ、及び第二アナログ積算器に結合された温度センサを含む。該システムは、第一アナログ積算器に結合された第一コンパレータ、及び、第二アナログ積算器に結合された第二コンパレータをさらに含む。該システムは、湿度センサと温度センサとに結合されたアナログデジタルコンバータ、及び、第一及び第二アナログ積算器と、第一及び第二コンパレータと、アナログデジタルコンバータとに結合された制御モジュールをさらに含む。
【００１３】
別の態様において、生鮮品の環境条件をモニタリングするためのシステムを調節する方法は、ポリマー基板の上面に形成された第一容量性プレートとポリマー基板の下面に形成された第二容量性プレートとを包含するコンデンサを作製する工程を含み、第一及び第二容量性プレートは、容量性プレート材料を含む。該方法は、コンデンサの静電容量を測定しながら、選択された容量に達するまで容量性プレート材料を除去する工程と、生鮮品の一つ以上の環境条件をモニタリングできる環境センサからの、入力信号を受信するよう構成されたアナログ積算器の中に、該コンデンサを組み込む工程とをさらに含む。
【００１４】
本出願の上記及び他の態様の内容を以下にさらに詳しく説明する。本明細書に記載された特質、機能、及び利点は、本出願のさまざまな態様において、単独に、又は他の態様においては、組み合わせて実現することができる。
【発明の開示】
【００１５】
詳細な説明
以下の詳細な説明において、本明細書の一部を構成する添付図面を参照し、これらは、説明目的のための、本発明が実施可能な例示的態様を示す。これらの態様については当業者が本発明を実施できる程度に十分詳しく説明するが、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、他の態様を用いたりこれらにさまざまな変更を加えたりすることができよう。従って、以下の詳細な説明は、本発明を限定する意味のものではない。
【００１６】
図１に、例えば温度センサ又は湿度センサのような環境センサから受信する入力信号Ｖｓの、サンプリング及び累算を行うアナログ積算器１００の回路素子を示す。積算器１００は、望ましくは、高精度の合計電荷として累算される低入力電流を精密測定することができる。一部の態様において、積算器１００は、低い入力バイアス電流を持つオペアンプ１０５を用いる。抵抗器Ｒ１の値を選択してオペアンプ１０５のゲインを所望のレベルに設定することができる。
【００１７】
コンデンサのペアＣ２／Ｃ３は、積分コンデンサ（アキュムレータ）を形成し、オペアンプ１０５の入力電流に基づき、高い又は低い度合いの電荷を格納する。この累積された電荷は、次いで下記の式により出力アナログ電圧レベルＶｏを生成する。
2008530518.tif 000002
上の式において、ＣｉｎｔはＣ２とＣ３とを併せた静電容量であり、Ｉｉｎはオペアンプ１０５への入力電流である。
【００１８】
以下に表１に関連して説明するように、アナログスイッチＳ１〜Ｓ３の配置とシーケンシングとによって積算器１００を制御する。示された態様において、Ｓ１は積算制御信号Ｖｉｎｔにより制御され、Ｓ２はリセット制御信号Ｖｒにより制御され、Ｓ３は荷電制御信号Ｖｃにより制御される。これらの制御信号は、例えば、論理回路又はマイクロコントローラなどの、適切な制御モジュールを使って生成させることができる。示された態様では、制御信号はドライバ１１０、１１５、１２０に増幅されており、該ドライバについてはスイッチＳ１〜Ｓ３に内蔵することができる。
【００１９】
一部の態様において、コンデンサＣ１は、小容量、例えば数十ピコファラッドである。Ｃ１の荷電電圧は、放電状態の場合でも、Ｓ３が閉になると急速にセンサ電圧Ｖｓのレベルまでに上昇する。積算器１００がシーケンス接続されると、コンデンサＣ１から小さな電荷がＣ２／Ｃ３のペアに転送される。Ｃ２は、Ｃ１又はＣ３よりもはるかに大きな静電容量、例えば、約数十オーダのマイクロファラッドである。Ｃ２／Ｃ３のペアは、Ｃ１からのサンプルをおおむね５０万有するとしても、まだ負の電位レールにまでフルチャージされない。一部の態様において、Ｃ３は、Ｃ２と並列に配置されたトリミング用コンデンサを含む。Ｃ３の機能については後記で説明する。
【００２０】
センサについては、オペアンプ１０５の入力端子から電流を流し又は供給するように接続することができる。これにより、Ｃ２／Ｃ３に対し正又は負の積算ランプ電圧がもたらされる。図1に示された機構は、電流を供給し、それにより、正の積算ランプを生じる。
【００２１】
次の表１は、積算器１００の４つの動作状態を示す。
【００２２】
（表１）積算状態
2008530518.tif 000003
【００２３】
典型的な動作において、一連動作はＣ１の充電（ステップ１）から始まり、Ｃ２／Ｃ３への電荷の転送（ステップ２）、次いで、別の読み取りを採取するまで比較的長い期間、電荷を保持（ステップ３）する。このように、サンプルをまばらに採取し、それらの合計値を累算することができる。出力Ｖｏをサンプルすることができ、望ましくは、それをコンパレータ回路（図示せず）に供給することができる。
【００２４】
コンパレータについては、Ｖｏが事前設定されたレベルに達したときに状態を変えるように作製し、該変化が、積算器１００のリセット（ステップＲ）のトリガーになるようにできる。該トリガーの発生により、センサの入力の確定合算レベルが表示され、この合算は正味電荷に比例する。例えば温度を測定する場合、トリガーイベントにより、測定された熱の、特定の正味カロリー数が表示される。
【００２５】
図２は、図１に示された積算器１００の動作を示すタイミング図である。図２に示されるように、Ｃ１からのエネルギーの転送ごとにＶｏは少しずつ低下する。この図の中のＦＳ及び−ＦＳは、それぞれＶＣ１及びＶｏのフルスケールを表す。温度が低くてセンサ電圧Ｖｓが低い場合は、積算速度は遅くなろう。
【００２６】
一部の態様において、コンデンサＣ１及びＣ３は、高速作製工程において、それらの静電容量が正確に設定されるように構築される。Ｃ１及びＣ３は、正確な静電容量値にトリミングされれば、センサ出力レベルの積算の合計測定のための信頼できるベースを提供できよう。
【００２７】
図３は、本出願の一つの態様によるコンデンサ３００の等角図であり、明確化のためレイヤは分離して示されている。例示のようなコンデンサ３００を構築し、図１の積算器１００中のＣ１又はＣ３として使用することができる。一部の態様において、コンデンサ３００は、上部容量性プレート３０５と、誘電体レイヤ３１５で隔てられた下部容量性プレート３１０とを包含する。容量性プレート３０５、３１０は、例えば金属のような、適切な任意の容量性材料を含む。一部の態様において、容量性プレート３０５、３１０は、積層化され金属化された、例えばマイラー（Ｍｙｌａｒ）（登録商標）のような、ポリエステルフィルムのレイヤに形成された導電材料を含む。該ポリエステルフィルムは、例えば、アルミニウム、銀、金などの適切な任意の金属を使って金属化することができる。誘電体レイヤ３１５には、例えば、ＰＥＴ、ポリアミド、ポリプロピレンなどのような、適切な任意の誘電体材料を含めることができる。
【００２８】
一部の態様において、コンデンサ３００を、ダイカット、ロールツーロールによるシート積層工程を使って構築し、また、閉ループのコンデンサ・トリミング工程を使い、コンデンサ３００を、設定容量にトリムすることができる。このような工程では、リアルタイムで測定を行い、静電容量が所定の狙い容量に低減されるまでプレート材料を除去する。典型的には、容量性プレート３０５と３１０との間に静電容量測定機器がつながれ、ロボット・レーザーのような切削装置を配置、作動して正確な量のアルミニウムを除去する。更に測定とより微細なカット／穴の生成とを行い、所望の容量を得る。また、容量性シートをひだ状にし、別のシートの上に積み重ねて全体の静電容量を増加し、同様な方法で設定値にトリムすることができる。コンデンサ３００の静電容量を正確に設定することにより、図１に示した積算器１００が実施する積算の精度を有利に向上することができる。
【００２９】
スマートパッケージ又はスマートラベル製品中に前述の回路構成と方法とを用いて、シリコン回路構成の複雑さを低減し、例えば、ＰＥＴ、マイラー（登録商標）、ポリアミドなどのポリマー基板上に直接回路機能を生成することができる。印刷及び／又は積層化が可能な電子部品には、センサ、抵抗器、及びコンデンサが含まれる。印刷及び積層加工された構成部品を使った高精度積算器を用いることにより、印刷回路基板上にはんだ付けされた、シリコン・ベース回路と厚膜受動部品とで構成された従来型の回路と比較すると、高い精度とより低廉なトータルコストの点で大きな利点が得られる。
【００３０】
基板上に電子回路の構成部品を印刷するために用いられる材料の一部は次の通りである：（ａ）伝導体：電子流を効率的に伝導するＰＥＤＯＴ及びポリアニレン（ＰＡｎｉ）（導電度約１００Ｓ／ｃｍ）といった有機性インク；（ｂ）半導体：ポリ−３−アルキルチオフェン（Ｐ３ＡＴ）、ポリチオフェン、及びポリ（３−ヘキシルチオフェン）のような共役ポリマーを溶液の形で調剤し半導体インクとして使うことができる；（ｃ）絶縁体／バリヤ：ＰＭＭＡのような絶縁ポリマーを使って絶縁層及び／又はバリヤを形成する。センサは、基板上の２つの導電電極の間に付着させた、金属（銀などの）センシング化合物によって構築することができる。これらすべての化学材料は、室温の準クリーン又はクリーン環境で、ポリエチレン（ＰＥＴ）基板上に、インクジェット・ノズルからスプレー、又はマイクロペンでプロットされるインクとして調合される。
【００３１】
図４は、本出願の一つの態様による環境モニタリング・システム４００の系統図である。図示された態様において、積算器１００は、前記のコンデンサ３００のような一つ以上の調節可能な構成部品４３０を含む。作動において、積算器１００は、環境センサ４３５から入力信号Ｖｓを受信し、出力信号Ｖｏをコンパレータ４０５に送信する。比較ターゲットに達すると、ロジック回路４１０は、リセット制御信号を積算器１００に送信し、同時に、到達した閾値のカウントを計算する。ターゲット回数の閾値カウントに達すると、インジケータドライバ４１５は、ディスプレイ４２０又は音響発生器４２５を作動し、警報表示をすることができる。バッテリ及び電圧変換器（図示せず）を使って、システム４００に電力を供給することができる。
【００３２】
図５は、本出願の別の態様による環境モニタリング・システム５００の系統図である。図５に示された態様において、システム５００は、２つの積算器１００Ａ、１００Ｂを含み、その各々は、前記のコンデンサ３００のような、一つ以上の調節可能な構成部品５６０Ａ、５６０Ｂを含む。第一積算器１００Ａは、湿度センサ５０５のセンサ電圧を積算するのに使われ、第二積算器１００Ｂは、温度センサ５１０のセンサ電圧を積算するのに使われる。システム５００は、２つのコンパレータ５２０Ａ、５２０Ｂの出力部からの入力を受信し、同時に、各センサ５０５、５１０をモニタする２チャンネルＡＤＣ５２５からの入力を直接受信するマイクロコントローラ５１５をさらに含む。システム５００は、累算及びインジケータドライバ５３０をプログラム制御する機能を有し、該ドライバは、ディスプレイ５３５又は音響発生器５４０を作動し、警報表示をすることができる。また、システム５００は、例えば、データ送受信器５４５、リアルタイムクロック５５０、及び／又は非揮発性メモリ５５５のような、スマートラベル又はパッケージに組み込み可能な周辺デバイスをプログラム制御する機能を有する。バッテリ及び電圧変換器（図示せず）を使って、システム５００に電力を供給することができる。
【００３３】
前記のシステム及び方法を使って、食肉、鶏肉、海産物、乳製品、化粧品、化学材料など生鮮品の各種の環境条件をモニタすることができる。これらのシステム及び方法を、こういった生鮮品に関連して使用される、さまざまなラベル、タグ、パッケージ、及び／又は包装材料に、都合良く組み込むことができる。前述したように、これらのシステム及び方法により、既存のスマートパッケージング及び／又はスマートラベリング製品に使われている従来の回路に比べ大幅なコスト削減を実現することができる。
【００３４】
好適な特定の態様に関連させて本発明を説明したが、本明細書に記載されたすべての特質及び利点の一部だけを具えた態様を含め、当業者にとっては明らかな他の態様も本発明の範囲内である。従って、本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲及びその同等事項だけを基準として規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本出願の一つの態様による、積算器の回路図である。
【図２】図１に示す積算器の回路の動作を表すタイミング図である。
【図３】本出願の一つの態様による、コンデンサの等角図であり、明確化のためレイヤは分離して示されている。
【図４】本出願の一つの態様による、環境モニタリング・システムの系統図である。
【図５】本出願の別の態様による、環境モニタリング・システムの系統図である。
【図１】
2008530518.tif 000004
【図２】
2008530518.tif 000005
【図３】
2008530518.tif 000006
【図４】
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【図５】
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