(57)【要約】      （修正有）【課題】液体と直接接触することなく液体の液位を検出し、さらに無線接続を介して検出する物質量検出システムを提供する。【解決手段】飲料容器１３０の壁部および底部には、トランスポンダ巻線コイル１４０に結合される２つの導電性プレート１１１、１１２が埋め込まれる。読取り装置３００は、読取り装置アンテナを介して、所定の周波数でＲＦ信号を放射する。同様にトランスポンダコイル１４０および２つのプレート１１１、１１２に接続されるマイクロプロセッサは整流器回路によって電源を供給され、整流器回路は、そのときに放射されたＲＦ信号から電源を得る。マイクロプロセッサは、容器の液体の量に応じてＲＦ信号を振幅変調する。その後、トランスポンダアンテナ１４０が所定の周波数で読取り装置アンテナに誘導性結合されるとき、読取り装置３００がピーク検出器を用いてこの変調を検出し、容器内の物質の量を検出する。【選択図】        図１
2004251622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器に取り付けられた導電性の２つのプレートと、
該２つのプレートに結合されるトランスポンダアンテナと、
所定の周波数で共振する読取り装置アンテナを有する読取り装置と、
を備え、前記トランスポンダアンテナが前記容器内の物質の量に応じた前記所定の周波数で前記読取り装置アンテナに誘導性結合されるときに、前記読取り装置は前記容器内の物質の量を検出する物質量検出システム。
【請求項２】
前記容器は飲料容器であり、前記物質は消耗性の液体であり、前記読取り装置アンテナを取り付けるように構成されるテーブル面をさらに含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第１のプレートは前記容器の壁部に取り付けられ、第２のプレートは前記容器の底部に取り付けられる請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記トランスポンダアンテナおよび読取り装置アンテナは、巻線コイルの形をとる請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記読取り装置アンテナは、前記トランスポンダアンテナより著しく大きな断面積を有する請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記容器内の前記物質の量は検出に応答して直接制御される請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記所定の周波数で駆動信号を生成するために同調した共振回路をさらに含む請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記所定の周波数はある範囲の周波数から選択され、前記所定の周波数は前記誘導性結合を最大にする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
それぞれ前記２つのプレートとトランスポンダアンテナとを含む複数の容器を含み、前記トランスポンダアンテナにそれぞれ結合され、それぞれ前記所定の周波数をオフセットするために各容器のための固有の容量を有するコンデンサをさらに含む請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記２つのプレートと前記トランスポンダアンテナとに接続されるマイクロプロセッサと、前記マイクロプロセッサに接続される整流器回路とをさらに含み、該整流器回路は、前記トランスポンダアンテナと前記読取り装置アンテナとの間の前記誘導性結合から前記マイクロプロセッサのための電力を得るように構成される請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記容器内の前記物質の量に応じて前記所定の周波数で変調するために、前記トランスポンダアンテナに負荷をかけるための手段をさらに含む請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記変調は振幅によって行われる請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記振幅はピーク検出器によって測定される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
それぞれが前記２つのプレートと、前記トランスポンダコイルと、前記マイクロプロセッサと、前記整流器回路とを含む、複数の容器を含み、前記マイクロプロセッサはそれぞれ、特定の容器のための固有の識別番号を格納する請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記マイクロプロセッサは、日付と物質識別情報とを格納する請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
所定の周波数で読取り装置アンテナを共振させる工程と、
容器内の物質の量に応じて、前記容器内に取り付けられる２つの導電性プレートに結合されるトランスポンダアンテナにおいて前記所定の周波数を変調する工程と、
前記読取り装置アンテナと前記トランスポンダアンテナとが誘導性結合されるときに、前記容器内の前記物質の量を判定するために、前記読取り装置アンテナに結合される読取り装置において前記変調された所定の周波数を検出する工程と、
を備えた物質量検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は全般に容器内の物質の液位および量を検出するためのシステムおよび方法に関し、より具体的には容量性結合を用いて液位を検出することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
容器内の液位の検出を必要とする多数の応用形態、ならびに容器内の液体の液位あるいは量を検出するための多数の方法が存在する。初期の技術は計量棒を用いる。多くの他の容器は可変抵抗に結合される浮きを組み込む。液体が不透明で、容器が透明である場合、フォトダイオードを用いることもできる。
【０００３】
１つの完成されたタイプの技術は容量性プレートタイプの浸漬を用いる。米国特許第４，４４８，０７１号、第５，２７０，２１０号、および第４，５８９，０７７号を参照されたい。浸漬タイプ検出に伴う問題点は、「プローブ」が液体と接触することである。これは、液体の汚染を避けなければならない応用形態、たとえば毒性、放射性あるいは生物学的な応用形態において、かつ消耗品の場合に望ましくない場合がある。また、これらの全ての技術において、プローブは検出回路に結線される。これにより、容器を動かす、すなわち容器をある場所から別の場所に運ぶのが困難になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、液体と直接接触することなく液体の液位を検出することが望まれる。さらに、容器を持ち運ぶことができるようにするために、無線接続を介して検出が実行されるようにすることが望まれる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、飲料容器と、その容器を保持するためのテーブル面とを含む無線液体検出システムを提供する。容器、たとえばガラス製コップの壁部および底部に、トランスポンダ巻線コイルに結合される２つの導電性プレートが埋め込まれる。
【０００６】
テーブル面に埋め込まれる無線読取り装置が、読取り装置アンテナを介して所定の周波数のＲＦ信号を放射する。同様にトランスポンダコイルおよび２つのプレートに結合される容器内のマイクロプロセッサは、整流器回路によって電源を供給され、整流器回路は、そのときに放射されるＲＦ信号から電源を得る。マイクロプロセッサは、容器内の液量に従ってＲＦ信号を振幅変調する。その際、トランスポンダアンテナが所定の周波数で読取装置アンテナに誘導性結合されるときに、読取り装置はピーク検出器を用いてこの変調を検出し、容器内の物質の量を検出することができる。変調は、トランスポンダコイルに負荷をかけることにより行われることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、容器内の液体の液位あるいは量を検出するための無線システムおよび方法を提供する。その装置は、水差し、コーヒーカップのような飲料容器、あるいは誘電性、透明性あるいは導電性の任意の物質、液体あるいは固体を入れることができる任意の他の容器に埋め込むことができる。
【０００８】
レストランでの応用形態では、その無線検出システムは、水差し、カップあるいはコップを補充するタイミングを指示することができる。１つの利点として、その検出は無線接続を用いて行われる。これは、その容器が配線によって任意の他の検出装置に接続される必要がないことを意味する。これは、その容器が、手に取られ、置かれ、動かされ、かつおそらく多数の人々の間で共有される必要があるときの１つの必要条件である。
【０００９】
第２に、その容器は内部電源を必要としない。これも２つの理由により重要である。第１に、電池を交換する必要がない。第２に、電子部品を防水できるように容器内に完全に埋め込むことができ、容器を洗浄あるいは殺菌消毒する際に、検出回路に損傷を与える危険性がない。
【００１０】
システム構造
図１は、本発明による、容器１３０内の液体１０１の液位あるいは量を検出するためのシステム１００を示す。システム１００は、後にさらに詳細に記載されるように、互いに誘導性結合されることができる無線トランスポンダ２００と、無線読取り装置３００とを含む。
【００１１】
能動トランスポンダ
無線トランスポンダ２００は、壁部および底部１１０を含む容器１３０内あるいは容器１３０上に取り付けられる。容器１３０の壁部および底部には、トランスポンダ２００に結合される２つの導電性プレート１１１および１１２が埋め込まれる。プレート１１１および１１２は、容器１３０の壁部および底部に埋め込まれるか、あるいは他の方法で取り付けられる金属箔またはめっき、あるいは金網の形をとることができる。また無線トランスポンダ２００は、たとえば、巻線コイルの形のトランスポンダアンテナ１４０にも接続される。無線トランスポンダ２００は以下にさらに詳細に記載される。
【００１２】
読取り装置
無線読取り装置３００は、テーブルまたはカウンタ面に、あるいは任意の他のタイプの表面あるいはベース１２０、たとえば容器１３０を支持することができる作業台あるいは実験台に取り付けることができる。読取り装置アンテナ１６０は、その表面に埋め込まれるか、あるいは他の方法で取り付けられる。大部分の応用形態では、読取り装置アンテナ１６０の断面積は、トランスポンダアンテナ１４０の断面積よりも著しく大きい。たとえば、読取り装置アンテナ１６０は表面１２０の周辺部に沿って取り付けられ、巻線コイルの形をとり、容器１３０は、本発明による検出が行われるテーブルの表面上の任意の場所に配置されることができる。
【００１３】
アンテナ１４０および１６０は、それらのアンテナが互いの近くにあるときに誘導性結合できるようになる任意のサイズおよび形状からなることができることを理解されたい。好ましい実施形態では、アンテナは銅巻線コイルの形をとる。読取り装置アンテナ１６０は、以下にさらに詳細に記載される無線読取り装置３００に結合される。読取り装置３００は、入力／出力インターフェース（ＬＣＤ）３４０に結合されることができる。自動化プロセスの場合、読取り装置３００は、容器内の液体の液位に応じて、容器を自動的に満たし、かつ空にする装置に結合されることができる。たとえば、液体は蒸発すると補給される。
【００１４】
システム動作
動作中に、読取り装置３００は、同調した共振回路を用いて読取り装置アンテナ１６０を駆動する。これにより、アンテナ１６０はＲＦ信号を放射できるようになる。容器１３０が読取り装置３００の近くにあるとき、トランスポンダアンテナ１４０が、その放射されたＲＦ信号に誘導性結合する。この誘導性結合は部分的には、以下にさらに詳細に記載されるように、トランスポンダ２００に、たとえば公称５Ｖの電源を供給するために用いられることができる。
【００１５】
容器１３０は液体で満たされているか、全く満たされていない。プレート１１１および１１２は、容器内の液体の量に比例して、容量性結合される。その容量性結合はトランスポンダ回路２００によって検出され、トランスポンダアンテナと受信機アンテナとの間の誘導性結合を変調するために用いられる信号に変換される。変調には振幅変調を用いることができる。変調は、トランスポンダアンテナ１４０に負荷をかけることにより、たとえば、アンテナ１４０を短絡することにより達成されることができる。これは読取り装置アンテナ１６０への負荷を変更し、それは読取り装置によってデータパケットとして検出され、以下に記載されるように、容器１３０内の液体の液位を指示する、インターフェース３４０のための出力信号に変換される。
【００１６】
識別および衝突
トランスポンダ２００は、固有の識別番号を格納することもできる。この場合には、多数の容器内の種々の液位が検出されることができる。その検出は、衝突回避通信技術を用いることにより同時に行われることができる。同時にデータを送信しようする多数の容器によって引き起こされる衝突に対処するために、いくつかの方法が存在する。最も簡単な方法によれば、衝突が発生するようになるが、その発生を検出し、かつ最小限に抑えることができる。
【００１７】
データの衝突検出は、各パケットとともに送信されるチェックサムを用いて達成することができる。そのパケットを短くし、パケットを時間的に分離することにより衝突を最小限に抑えることができる。さらに、パケット間に異なる遅延を用いて、パケット伝送が同期し、際限なく衝突を引き起こすのを防ぐ。各容器の固有の識別番号を用いて、各トランスポンダのための固有のパケット遅延を導出することができる。
【００１８】
双方向通信
別法では、トランスポンダ２００と読取り装置３００との間で双方向通信できるようにシステム１００を編成することにより、各容器が、そのデータを得るために特定的に照会されることができる。また双方向通信によって、読取り装置は、容器内の物質についての日付入りの情報を送信できるようになる。その後、この情報は、トランスポンダ２００に格納されることができる。これにより、別の読取り装置が、後の時点で、液体の液位だけでなく液体のタイプおよびその「鮮度」も確認できるようになる。
【００１９】
実用上の考慮すべき事柄
多数の実用上考慮すべき事柄がある。容器を持っている人の手が検出に影響を及ぼすべきではなく、容器が傾斜していることにも影響を受けるべきではない。読取り装置アンテナとの望ましくない相互作用も回避されるべきである。手が検出に影響を及ぼすのを回避するために、検出されているキャパシタンスをシールドする必要がある。これを達成する最も単純な方法は、図１に示されるように、側面プレート１１２を下方に、底面プレート１１１の下側まで延長することにより、底面プレート１１１をシールドすることである。ここでは、側面プレートは貫通孔を有し、底面プレートとトランスポンダ２００との間を接続できるようにする。
【００２０】
さらに、側面プレート１１２が漂遊磁界に過度に影響を受けないようにするために注意が払われなければならない。キャパシタンス検出回路において、これは、影響を受けないプレートを回路グランドに結合することにより行うことができる。傾斜は以下のように取り扱われる。容器の外側全体がプレートによって覆われ、その容器が概ね円筒形である場合には、結合の面積が概ね一定であり、傾斜とは無関係であるため、キャパシタンスは傾斜によって最小限の影響しか受けない。傾斜する際に液体によって１つの側面上により大きな面積で結合される場合には、他の側面上により小さな面積で結合することにより補償される。
【００２１】
トランスポンダ回路
図２は無線トランスポンダ２００をさらに詳細に示す。トランスポンダ２００は、マイクロプロセッサ２１０、たとえばＭｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｃ．  から市販されるＰＩＣ１２Ｃ５０９Ａを用いる。ＶＤＤおよびＶＳＳピンは、ツェナーダイオード２１１およびフィルタコンデンサ２１２とともに、読取り装置３００によって放射される、誘導性結合された１００ＫＨｚのＲＦ信号から電源を得る整流器回路を有効に形成する。この回路は、マイクロプロセッサ２１０を動作させるだけの十分な電源を生成する。マイクロプロセッサは、液体１０１によってプレート１１１および１１２の容量性結合を検出し、たとえばマンチェスタ符号化を用いて、検出された信号をデジタル信号に変換するようにソフトウエアプログラミングされる。振幅変調の周波数は、放射されるＲＦ電界の周波数の１／１０〜１／１００倍程低い。この変調はピーク検出器によって読取り装置において検出されることができる。
【００２２】
読取り装置回路
図３は、無線読取り装置３００をより詳細に示す。この回路は、読取り装置マイクロプロセッサ３１０、たとえばＰＩＣ１６Ｆ８７６を用いる。この回路は、コイル１６０およびコンデンサ３５０によって形成される共振タンクを１００ＫＨｚで駆動するために、電源ドライバ回路３２０に供給される駆動信号３１１を生成する。受信機回路３３０は、上記のようにトランスポンダ２００によって生成される変調を検出するために用いられる。マイクロプロセッサ３１０内のソフトウエアプログラムは、この信号を、インターフェース３４０のための出力信号に変換することができる。
【００２３】
図４は、容器１３０が、トランスポンダ２００およびアンテナを収容する着脱式ベース１３５を有する別の実施形態を示す。ベースと容器１３０との間の電気的接続は、ばねによって付勢されたピンあるいはプレート１３１によって与えられる。
【００２４】
受動トランスポンダおよび読取り装置
図５ａは別の実施形態５００を示す。この実施形態では、トランスポンダ１１０は、アンテナ１４０と、コンデンサを形成するプレート１１１および１１２のみを含む。これは基本的に、以下の式によって決定される周波数で共振するＬＣ回路を形成する。
【００２５】
ｆｒ＝１／｛２π√（ＬＣ）｝
【００２６】
ただし「同調可能な」キャパシタンスは、容器１３０内の液体の量によって決定される。この場合には、図５ｂに示されるように、読取り装置１２０は、共振周波数ｆｒを表すピークの位置を特定するために、ある範囲の周波数にわたって掃引する。１つの読取り装置で多数の容器に対応することが望まれる場合には、この受動実施形態を用いて、第２の固定された値のコンデンサ１１３を追加して、容器によって異なるオフセット周波数値を与えることができる。固定周波数で動作する代わりに、読取り装置３００はある範囲の周波数を掃引する。
【００２７】
本発明が好ましい実施形態を例にして記載されてきたが、本発明の精神および範囲内で、種々の他の適合形態および変更形態が実施されることができることは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入るような全ての変形および変更を網羅することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液体検出システムの断面図である。
【図２】本発明による能動トランスポンダ回路の回路図である。
【図３】本発明による読取り回路の回路図である。
【図４】取外し式トランスポンダを備える液体検出システムの断面図である。
【図５ａ】受動液体検出トランスポンダ回路に関する図である。
【図５ｂ】受動液体検出トランスポンダ回路に関する図である。
【図５ｃ】受動液体検出トランスポンダ回路に関する図である。
【図１】
2004251622.tif 000003
【図２】
2004251622.tif 000004
【図３】
2004251622.tif 000005
【図４】
2004251622.tif 000006
【図５ａ】
2004251622.tif 000007
【図５ｂ】
2004251622.tif 000008
【図５ｃ】
2004251622.tif 000009
【外国語明細書】
2004251622.tif 000010
2004251622.tif 000011
2004251622.tif 000012
2004251622.tif 000013
2004251622.tif 000014
2004251622.tif 000015
2004251622.tif 000016
2004251622.tif 000017
2004251622.tif 000018
2004251622.tif 000019
2004251622.tif 000020
2004251622.tif 000021
2004251622.tif 000022
2004251622.tif 000023
2004251622.tif 000024
2004251622.tif 000025
2004251622.tif 000026