JP2008506119A - ビルジ・レベル検出用近接センサ - Google Patents

Abstract

自動ビルジ・ポンプ駆動装置に使用されるビルジ内部の液体レベルを感知するセンサ・システム。第１および第２の電界効果センサは、コンテナ又はビルジ壁内に収容又は密封されて、垂直方向のアレイ状に揃えられ、それぞれがループ状又はアーク状の電界を生成するために使用される集積回路と一緒にプリント回路基板（ＰＣＢ）に設置された「電極」あるいは導電性トレースの実質的に平坦なパターンを含んでいる。ビルジ液面が電界効果センサのレベル又はその近辺に上昇すると、アーク状の電界の変化が感知され、それに応じてビルジ・ポンプが自動的に駆動されてビルジから液体をポンプ排出する。オプションとして、ポンプ制御は、オン・オフのタイミングを制御できるように、また望ましくない「脈動（スロッシング）」効果を防止するように、マイクロプロセッサを用いてプログラムすることができる。

Description

（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、流体の存在を検出するセンサ、流体レベルの検出に応答してポンプを駆動する自動システムおよび船のビルジ（ｂｉｌｇｅ）・タンクの底に搭載されて、ビルジの流体レベルがビルジ・タンクの底から上方の予め設定された距離まで上昇したときに、ビルジ・ポンプを駆動するセンサに関する。

（従来技術の説明）
これまで、ポンプを駆動する電気回路を完成させる水銀又はポイント・コンタクトを備えた機械式フロート・スイッチによるか、あるいは手動でビルジ・ポンプを駆動するのが普通であった。圧力スイッチが使用されることもあった。これらの従来型のスイッチは、設置した初期には、正しく動作する。しかし、時間の経過とともに、ビルジ破片やその他の汚染源によって、機械部品が意図したように動かなくなり、スイッチの誤作動に結びつくことがある。更に、従来型のビルジ・ポンプ駆動スイッチは、船の寿命のうちに数回疲弊するのが普通で、船の底にあるので修理や交換のために近づくことも困難である。

従来技術の多くの流体レベル又は流体近接の検出器は、例えば、水塊などの導体が検出器あるいはセンサに接近したときに駆動される電気式スイッチを採用している。米国特許第３，５８８，８５９号、第３，６６５，３００号、第４，８００，７５５号および第４，８７５，４９７号は、そのような検出器を開示している。米国特許第５，０１７，９０９号は、船舶の貯蔵容器用の液体レベル検出器として使用される近接検出器を開示している。

液体レベル検出器のその他の応用には、船舶用のビルジ・ポンプ・システムが含まれる。ビルジ・ポンプ・システムは、増加する水が或る過剰レベルに達する前に駆動されなければならない。過剰なビルジ水レベルを検出する従来技術の機構は、機械式浮揚システムを採用していたので、水がそのような望ましくないレベルに達するたびにスイッチが駆動された。ビルジ液が多様な腐食性の廃棄物を含むので、ビルジ液あるいは水は、最終的には、機械式レベル検出システムを部分的に動かなくさせてしまう。故障した部品を交換することは、熟練した技術者がその作業を行うためにビルジに入る必要があることから、ビルジ・レベル感知システムは、非常に高価で問題の多いものとなってしまう。

このような厄介でコストの嵩む問題に対する解決策を模索するなかで、多くの電子式近接検出システムが提案されてきた。一例として、スミス（Ｓｍｉｔｈ）等（米国特許第４，８８１，８７３号）は、ビルジ中のポンプを駆動するために選ばれた位置にセンサ・プレート４０を含むビルジ・ポンプ用の容量性レベル・センサを開示している。ビルジ水は、或る意味で誘電体として感知されるので、ビルジ流入に付随して汚染物がビルジ内部に蓄積し、センサ周囲の領域を汚染するとセンサが誤動作や検出漏れを引き起こしやすく、また脈動（スロッシング）するビルジ水は、ビルジ・レベルがポンピングを必要としないレベルにあるときでもビルジ制御を駆動させてしまうことが起こる。

ギブ（Ｇｉｂｂ）（米国特許第５，２８７，０８６号）もまた、ビルジ中のポンプを駆動するために選ばれた場所に位置する容量センサ・プレート７９を含むビルジ・ポンプ用の容量性レベル・センサを開示している。センサは、ビルジ水がセンサおよびその他の回路に浸入しないように密封された容器３２内部に収められている。ここでも、ビルジ水は、或る意味で誘電体として感知されるので、ビルジ流入に付随して汚染物がビルジ内部に蓄積し、センサ周囲の領域を汚染するとセンサが誤動作や検出漏れを引き起こしやすく、また脈動するビルジ水は、ビルジ・レベルがポンピングを必要としないレベルにあるときでもビルジ制御を駆動させてしまうことが起こる。

サンティアゴ（Ｓａｎｔｉａｇｏ）（米国特許第４，７６６，３２９号）は、高水位プローブと低水位プローブの２つをビルジ中のポンプを駆動するために選ばれた位置に含むビルジ・ポンプ用の固体式２レベル・センサを開示している。これらのプローブは、ビルジ水と接触するので、ビルジ流入に付随して汚染物がビルジ中に蓄積し、プローブを汚染してしまうとプローブ・センサが誤動作や検出漏れを引き起こしやすくなる。

ファー（Ｆａｒｒ）（米国特許第５，２３８，３６９号）は、ポンプを駆動するために選ばれた位置を有する上側および下側の容量性レベル・センサ１０、１８を含む液体レベル制御用のシステムを開示している。この引用特許は、ビルジ水をセンサから離しておくことについて触れていないが、ビルジ水は、或る意味で誘電体として感知されるので、ビルジ流入に付随して汚染物がビルジ中に蓄積し、センサ周囲の領域を汚染してしまうとセンサが誤動作や検出漏れを引き起こしやすくなる。

出願人は、ユーザが仮想ボタンを押したかどうかを検出するために使用される「タッチ・センサ」に関する電界効果センサ特許（米国特許第５，５９４，２２２号）をコールドウエル（Ｃａｌｄｗｅｌｌ）にライセンス供与している。このセンサを「タッチ・センサ」と呼ぶ。この特許は、電界効果「タッチ」センシングの電磁気学的特性を開示しているが、流体／気体界面の検出や自動化されたビルジ・ポンプ駆動用のセンサ・システムにそのような技術がどのように採用されるかについては、触れていない。

従って、従来技術のセンサおよびシステムに付随する問題点を克服し、ビルジ中で洗浄や保守を基本的に必要としない信頼性のある安価な流体レベル・センシング・システムを実現できる液体レベル感知および液体レベル制御用のシステムが必要とされる。信頼性が非常に高く、製造コストが比較的低い新しい進歩した近接検出システムが特に必要とされている。このような近接検出システムは、高感度であるべきで、広範囲の用途を有する。

（発明の概要）
本発明の流体レベル制御およびセンサ・システムは、液密な容器あるいはコンテナと、電極および配線パターンを備え、アーク状のパターンを有する電界を発生させて、電界効果の原理を利用して変化を感知する部品を搭載した回路基板とを含む。

容器あるいはコンテナは、垂直方向を向いた第１および第２の電極パターンを有し、容器側面にビルジ中に見られる破片が剥がれ落ちるようにするリブ構造を有する。材料を慎重に選択することによって、容器が生物攻撃（例えば、カビや藻類）に抵抗でき、さもなければ容器に付着するはずの材料の付着を防止することができる。垂直方向では、重力も予想される汚染物が剥がれ落ちる手助けとなる。

電界効果については、米国特許第５，５９４，２２２号の別のところに記述されており、またタッチ・センサ有限責任会社（Ｔｏｕｃｈ Ｓｅｎｓｏｒ，ＬＬＣ）に譲渡された他のものに記述されている。これらは、典型的には、オペレータ入力用の大型器具応用に使用される。類似の原理は、タンク壁や成型コンテナのように物理的障壁によって液体から隔てられている場合にも、センサに近接した液体を検出するために適用される。この技術は、センサに対する同相雑音を除去し、装置の適切なチューニングによって流体の存在又は不在の検出を可能にする。これは、検出器に近接した固体式装置であり、低インピーダンスであるので、海洋環境で電気雑音に対して高い許容度を有する。

電極デザインは、平行プレートから各種サイズおよび幾何学形状の同心リングまで多様な形状が可能である。電極の設計は、構築材料、厚さ、流体の成分その他の検討材料を考慮して決められる。

流体レベル制御およびセンサ・システムは、稼動して電流を流すときに潜水するので、２０アンペアを流すように適応した内部電流スイッチング装置（例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ））は、容易に冷却される。

センサをサポートするエレクトロニクスには、オプションとして、別のリレーを追加することなく２０アンペアの電流を要求する装置の制御を可能とする部品が含まれる。電流スカルプ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｃａｌｐｉｎｇ）技術およびその他の技術を用いることによって、本発明のビルジ・ポンプ制御システムは、二線で動作するか、あるいは電力供給用の別の第三の配線を有することができる。流体レベル制御およびセンサ・システムは、マイクロプロセッサを備えても備えなくてもよい。

ビルジ・ポンプ・アセンブリは、容器、回路基板、部品および配線ハーネスを含む。動作時に、ビルジ・ポンプ・センサは、ポンプと電源との間に直列に接続される。回路は、ポンプを駆動することなしにそれ自身の電力を主電源から取り出す。ビルジ液体がセンサ電極付近に存在しない状態で、感知用ＩＣは、第１の状態「オフ」にある。液体がセンサ電極付近に存在すると、ＩＣは、状態を「オン」に変化させて、回路は、ビルジ・ポンプへの電力接続を許容する。ポンプは、液体レベルがセンサ電極の下にくるまで駆動される。感知用ＩＣは、状態を「オフ」に変化させて、ポンプへの電力接続が切断され、ポンプは、停止する。このシーケンスは、流体がセンサ付近に来るたびに繰り返される。オプションのマイクロプロセッサは、オン−オフのタイミング制御やその他の時間管理動作を許容して、「オン」から「オフ」状態への急速な変化（例えば、「脈動（スロッシング）」と呼ぶ不安定性のせいで）なしの安定なポンプ動作を提供する。脈動の振幅は、船舶およびビルジ・タンクの全長と船舶のロッキング運動に依存して変動する。

本発明のビルジ・ポンプ・コントローラは、能動的な低インピーダンスのセンサを誘電体基板に含む電界効果センサを含む。センサは、第１の導電性電極パッドと、相互間に間隔を置いて第１の電極を実質的に取り囲む第２の導電性電極とを含む。第１の電極パッドは、閉じた連続的な幾何学形状を有し、両電極は、基板の同じ面に取り付けられている。能動電気部品は、電極に近接して配置される。

センサは、従来のスイッチに置き換わって、ビルジ液あるいは水が基板に接触するか接近するとき駆動される。センサを用いて、電気ポンプのモータをオン又はオフさせる。電界効果センサのデザインは、流体が基板に存在している状態で静電気の存在下で正しく動作し、船のビルジやその他の洋上を進む用途などのように水、グリースおよびその他の流体が普通に存在する環境での利用に適したものとなっている。

電極は、前面あるいは「ウエット面」と反対側の基板裏面に取り付けられるので、電極と被制御流体（例えば、ビルジ液）との接触が回避される。センサ電極が基板のウエット面に位置しないので、センサは、引っかき、洗浄用溶剤、又は基板と接触するその他の汚染物によって損傷を受けることがない。

リレーやスイッチが不要となるのでセンサのコストおよび複雑さが低減する

好適な形態で、発振器は、利得チューニング抵抗を介して内側電極および外側電極に電気的に接続されて、非常に急峻なトレーリング・エッジ勾配を有する矩形波信号を配給する。発振器信号は、外側電極と中心電極との間にアーク状の横切る電界を生成する。電界経路は、アーク状で基板を貫通して延び、前面を通過して基板面を横切って突出する。内側および外側電極の信号は、差動感知回路の入力に同相信号として供給され、内側電極と外側電極との間の結果の差分が十分大きい場合には、感知回路は、状態を変化させる（例えば、高から低へ）。感知回路の状態は、基板が被制御流体に接触すると変化する。

好適な形態で、表面搭載型の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として構成されることが好ましい能動電気部品は、各々のセンサの場所にある。好ましくは、ＡＳＩＣは、各センサの中心パッド電極および外側電極に接続される。ＡＳＩＣは、センサにおける検出信号を増幅およびバッファリングするように動作し、それによって個々のセンサ間のリード長およびリード配線経路の差による信号レベルの差を減少させる。基板には、複数のセンサが配置される。

本発明の上記およびそれ以外の特徴および利点は、特に添付図面を参照しながら以下の本発明の特定の実施の形態についての詳細な説明を参照することで明らかになる。各図面において、同様な参照符号は、同様な部品を指すために用いられている。

（好適な実施の形態の説明）
図１−５に示された例示的実施の形態を参照すると、ビルジあるいは流体収容ベッセル１０は、液密な壁あるいは表面１８によって取り囲まれ、時にビルジ水又はその他の流体１２を含む。ビルジ中の流体レベルが上がったり下がったりするので、流体レベル１４は、図１の縦軸スケールで示したように選ばれた寸法幅において測定可能である。流体レベルが上がったり下がったりするにつれて、流体／空気界面１６は、流体レベル・スケール１４に沿って観測又は測定される。典型的な海洋用途において、ビルジ１０は、廃水や船体やデッキを通って漏れてくる海水などの流体１２を含み、ビルジ流体レベル１６が過度に高いとき（例えば、選ばれた上方あるいはトリガ・レベル１６Ｈで）、流体１２は、過度に高い流体レベル１６Ｈが検出されたときに選択的に励起される通常電気的に駆動されるポンプ（図示されていない）によってポンプ排出しなければならない。流体レベルは、ポンプ排出の進行中にも感知されて、流体１２のレベルが十分低くなったとき（例えば、選ばれた下方又はターン・オフ・レベル１６Ｌで）、ポンプがターン・オフされる。

図１、２および３に示されたように、本発明の流体レベル制御およびセンサ・システム２０は、液密な容器あるいはコンテナ２４と、電極５０、５２、６０および６２と部品と組み合わされた相互接続パターンとを備え、アーク状パターンを有する電界を生成し、「電界効果」原理を利用して変化を感知するプリント配線基板アセンブリ２２とを含む。

図４および５を参照すると、基板３０を貫通して横切るように突出するアーク状の電界７０を発生する導電性トレースあるいは電極５０、５２のパターンを利用して電界効果が生成され、電界の変化が感知される。上昇する流体／空気界面１６が感知されるとき、アーク状電界７０は、流体／空気界面よりも上の空気中ではなく、むしろ流体１２中を通過する。センサ・システム２０の動作は、以下でより詳しく説明する。

図１の実施の形態で、プリント配線基板アセンブリ２２は、容器あるいはコンテナ２２のキャビティ２６内部に取り付けられ、アセンブリの間に実質的に均一な厚さの防水性障壁を提供するように内部をシールされる。プリント配線基板あるいは回路基板３０は、実質的に均一な厚さの誘電体の平坦な基板であり、部品を搭載し、前面に対して対向する裏面（図２および３に示されているように）を有する。センサ・システム２０は、好ましくは、少なくとも第１および第２の１６ゲージ（１６ＡＷＧ）のワイヤ・セグメントを含む２線式ケーブル配線アセンブリを介して主電源および電気ポンプ（図示されていない）に接続される。

図２、３および４に示されたセンサの実施の形態の電気部品には、Ｕ４とも呼ばれる予めプログラミングされた集積回路（ＩＣ）である８ビット・マイクロ・コントローラが含まれる。これは、それぞれＵ２およびＵ３と呼ばれる第１および第２のタッチ・スイッチＩＣ３６、３７に接続されて、それらに応答する。センサ・システムの電源は、Ｕ１とも呼ばれる電圧制御装置３８を含み、主電源の電圧は、電圧制御装置３８に電力を供給する並列接続されたツェナ・ダイオード４４および直列接続されたダイオード４６を含む一対のダイオードによって制御される。

例示された実施の形態で、ビルジ水ポンプの駆動および電源は、大型のスイッチングＮチャネル電界効果トランジスタ（ＮＦＥＴ）４２から供給され、主電源電圧（例えば、１２ＶＤＣ）は、コネクタＪ１を介してドレインに接続され、ポンプを駆動するようにオンに切り替わったとき、電流は、ソースを通り、コネクタＪ２を通ってポンプに流れる。

図３から最もよく分かるように、第１のセンサ電極パターン４９は、ほぼ等しい幅を持つ非導電性ＰＣＢ表面のセクションで分離された複数の垂直方向の導電性トレースを含む実質的に矩形の上側中心電極パッド５０を含む。各々の導電性トレースは、それの上側および下側端部を周囲を取り囲む導電性トレースによって接続されて、すべて抵抗Ｒ５に接続される。上側の中心電極パッド５０は、上側タッチ・センサＡＳＩＣ３６に接続された上側の外側電極５２によって完全には、取り囲まれない。内側パッド５０および外側電極５２は、両方とも、アース・リング（図示されていない）を提供する中空でない導電性トレース材料の周囲によって少なくとも部分的に取り囲まれる。アース・リングの構造は、外側電極５２の方向性および感度に影響する。しかし、アース・リングが外側電極５２に近づきすぎると、センサの差動モードが失われて、センサは、シングル・エンド的に振舞う。

第２のセンサ電極パターン５９は、第１のセンサ電極パターン４９の下方に、垂直に揃った向きで配置され、ほぼ等しい幅を持つ非導電性ＰＣＢ表面のセクションで分離された複数の垂直方向の導電性トレースを含む実質的に矩形の下側中心電極パッド６０を含む。各々の導電性トレースは、それの上側および下側端部を周囲を取り囲む導電性トレースによって接続されて、すべて抵抗Ｒ７に接続される。下側の中心電極パッド６０は、下側のタッチ・センサＡＳＩＣ３７に接続された下側の外側電極６２によって完全には、取り囲まれない。パッド６０および外側電極６２は、両方とも、第２のアース・リング（図示されていない）を提供する中空でない導電性トレース材料の第２の周囲によって少なくとも部分的に取り囲まれる。

本発明に従えば、タンク壁や成型コンテナ（例えば、２４）などの物理障壁によって液体から分離されていても、液体１２がセンサ２０に近接したとき電界効果の原理が適用されて検出が行われる。この技術は、センサへの同相雑音を除去し、装置を適切にチューニングすることによって、液体や流体（例えば、ビルジ水１２）の存在又は不在を検出できるようにする。タッチ・センサＡＳＩＣ３６、３７は、電極パッドに近接する固体装置であり、低インピーダンスのものであるので、それらは、海洋環境での電気的雑音に対して非常に高い許容度を有する。

電極デザインは、平行プレートから各種サイズおよび幾何学形状の同心リングまで幅広い形状を有することができる。電極（例えば、５０、５２、６０および６２）の設計は、構築材料、厚さ、流体１２の成分およびその他の検討材料によって決まり、技能者によって理解されるように技術である。

例示された実施の形態で、センサをサポートするエレクトロニクスには、別のリレーを追加せずに２０アンペアの電流を要求する装置（例えば、ポンプ）の制御を可能とする部品が含まれる。流体レベル制御およびセンサ・システム２０は、稼動して電流を流すときに潜水するので、ビルジ流体１２へのヒート・シンク効果によって内部電流スイッチング装置（例えば、ＮＦＥＴ４２）および２０アンペアの電源回路は、容易に冷却される。

電流スカルプおよびその他の技術を用いることによって、ビルジ・ポンプ制御システム２０は、二線式で動作するか、あるいは、電力を供給する別の第三の配線（図示されていない）を有することができる。電流スカルプ又はスカベンジング（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ）は、電圧制御装置３８のエラー出力を、マイクロプロセッサ３４への入力として利用する。マイクロプロセッサ３４は、ＦＥＴスイッチ４２を短時間ターン・オフするようにプログラムされており、その間に並列蓄積用コンデンサＣ１が１２ボルトに充電される。この電流スカルプ法は、ＦＥＴスイッチ４２に関する少なくとも９７％の「オン・タイム」を許容する。

流体レベル制御およびセンサ・システム２０は、マイクロプロセッサ（図示されていない）と一緒に実現することもできるし、それなしでも実現できる。

容器あるいはコンテナ２４は、垂直方向を向いた第１および第２の電極パターン４９および５９をサポートおよび保護し、またオプションとして容器側面に垂直に並んで横に突出した細長い構造２７である１又は複数の外部リブを備えており、ポンピングの間に流体レベルが低下するとともに、ビルジ破片が容器２４から剥がれ落ちるようにしている。容器２４は、好ましくは、ＡＢＳ、ポリプロピレン又はエポキシなどの不活性な材料でできており、生物攻撃（例えば、カビや藻類）に抵抗し、さもなければ容器あるいはコンテナ側壁に付着するはずの材料の付着を防止することができる。図１に示された垂直の向きあるいは位置では、重力も予想される汚染物が剥がれ落ちる手助けとなる。

動作時に、ビルジ・ポンプ・センサ２０は、ポンプと主電源との間に配線アセンブリ３２を用いて直列に接続される。回路は、ポンプを駆動することなしにそれ自身の電力を主電源からコネクタＪ１を介して取り出す。ビルジ液がセンサ電極付近に存在しない状態で、感知用ＩＣ３６、３７は、それぞれ、第１の状態「オフ」にある。液体１２がセンサ電極付近に存在すると、感知用ＩＣ３６、３７は、状態を「オン」に変化させて、回路は、ＦＥＴ４２を通してビルジ・ポンプに電力を接続する。ポンプは、感知される液体レベル１６がセンサ電極４９および５９よりも下になるまで駆動状態に留まる。感知用ＩＣ３６、３７は、状態を「オフ」に変化させて、ポンプへの電力接続が切断され、ポンプが停止する。このシーケンスは、液面１６がセンサ・システム２０に接近するたびに繰り返される。オプションのマイクロプロセッサは、オン−オフのタイミングやその他の時間管理動作の制御を許容して、（例えば、「脈動（スロッシング）」と呼ぶ不安定性による）「オン」から「オフ」状態への急速な変化なしの安定なポンプ動作を提供する。脈動の振幅は、船舶およびビルジ・タンクの全長と船舶のロッキング運動に依存して変動する。

本発明のビルジ・ポンプ・コントローラ又はセンサ・システム２０は、誘電体基板３０の片面だけに取り付けられ従来のスイッチに置き換わる能動的な低インピーダンスのセンサを含む少なくとも１つの電界効果センサを含む。電界効果センサのデザインは、液体が基板に存在している状態で静電気の存在下で正しく動作し、船のビルジやその他の洋上を進む用途など水、グリースおよびその他の液体が普通に存在する海洋環境での使用に特に適したものとなっている。

図５に示されたように、センサのプリント配線基板アセンブリ２２は、容器２４中に分離して封止する代わりに、ＰＣ基板３０の前面あるいは「ウエット」面をビルジ１０の内側に向けてビルジ側壁１８中にモールドあるいは作り込むことができる。

好ましくは、センサ電極パターン４９および５９は、ＰＣＢ基板３０の裏面に取り付けられる。基板の裏面は、前面あるいは「ウエット」面に対向しており、そのことによって電極が被制御流体（例えば、ビルジ水）に接触することを妨げる。センサが基板の前面に位置しないので、センサは、引っかきや洗浄用洗剤又は基板前面に接触する任意のその他の汚染物によって損傷を受けることがない。更に、スイッチが不要なのでセンサのコストおよび複雑さが低減する。

好ましくは、表面搭載型ＡＳＩＣ（例えば、３６）などの能動電気部品は、各々のセンサの場所にあって、各センサの中心電極（例えば、５０）と外側電極（例えば、５２）との間に接続される。ＡＳＩＣは、センサにおける検出信号を増幅およびバッファリングするように動作し、それによって個々のセンサ間のリード長およびリード配線経路の差による信号レベルの差を減少させる。

電界効果センサの電極に接続された集積回路は、能動デバイスであり、例示された実施の形態では、コールドウエルに対する米国特許第６，３２０，２８２号に述べられたように動作するＡＳＩＣとして構成されることが好ましい。この開示全体を参照によってここに取り込む。上で述べたように、基本的な電界効果セルは、２つの電極（例えば、５０、５２）、ＡＳＩＣ（例えば、３６）および２つの利得チューニング抵抗（例えば、Ｒ５およびＲ６）を含む。発明のＴＳ−１００ ＡＳＩＣに関するピン出力は、’２８２号の特許の図４に示されているものと類似しているが、ピン出力は、わずかに変動する。ＴＳ−１００ ＡＳＩＣは、タッチ・センサ有限責任会社（Ｔｏｕｃｈ Ｓｅｎｓｏｒ、ＬＬＣ）から入手できる。詳細には、この出願に示されたＴＳ−１００ ＡＳＩＣでは、入力電力（Ｖｄｄ）コネクションがピン１にあり、アース・コネクションがピン２で、センサ信号出力コネクションがピン３で、外側電極抵抗（例えば、Ｒ６）がピン４に接続され、「発振器出力」コネクションがピン５にあり、そして内側パッド電極抵抗（例えば、Ｒ５）がピン６に接続される。オプションとして、ＡＳＩＣは、利得チューニングの調節をＡＳＩＣの内部に備えることで、利得チューニング抵抗Ｒ５およびＲ６を不要にできる。

電界効果センサあるいはセルの感度は、利得チューニング抵抗Ｒ５およびＲ６の値を調節することによって調節できる。本発明のセンサは、多様な応用での使用に適応させることができ、利得抵抗Ｒ５およびＲ６を変化させて望みの電圧応答を引き起こすようにできる。本発明のセンサは、被測定刺激に対するセンサの応答が飽和する（すなわち、利得／感度が余りに高くセットされる）ことのないように、また検出漏れ（すなわち、利得／感度が余りに低くセットされる）のないようにチューニング又は校正されなければならない点で他のセンサと同様である。ほとんどの応用で、線形な領域でセンサ応答をもたらす利得チューニング抵抗値が望ましい。チューニングあるいは校正方法は、典型的には、センサ・アセンブリを目的の感知環境に置いて、決定回路への入力における回路テスト・ポイント（例えば、コールドウエルによる’２８２号の特許の図４に示されたポイント９０および９１）を抵抗値の関数としてモニタするものである。センサの線形な応答域の中域で出力を提供するように利得チューニング抵抗Ｒ５およびＲ６の抵抗値を調節する。

このビルジ・ポンプ制御応用に対してその他の電極パターンが適していても、例示された電極パターン４９および５９は、３に示されたように各々が平衡している。ここに使用される「平衡」という表現は、内側電極（例えば、中心パッド５０）の導電性トレース領域がそれに対応する外側電極リング（例えば、外側電極５２）の領域に等しい（あるいは、ＰＣＢ製造許容誤差の範囲内で可能な限り等しい）ことを意味する。

出願人は、例示した平衡パッド電極デザインによって進歩した雑音又は電磁耐性（ＥＭＩ）が提供され、水などの流体の存在を特にうまく感知できることを見出した。

ＥＭＩ耐性は、不要な雑音や干渉性信号の同相抑制に起因すると考えられる。この「同相」抑制は、不要な雑音や干渉性信号を受信しそれらによって実質的に同程度に(実質的に等しい領域の場合)影響されるように見える中心パッドと外側のリング電極とが等しい領域を有することによって生じる。従って、一方の電極の信号を他方の電極の信号から差し引けば、同相の雑音／干渉性信号が互いに打ち消しあう。

図３に示された実施の形態で、各々の平衡中心パッドは、水平に約１２ミリメートル（ｍｍ）の広がりを、また垂直に約９ｍｍの広がりを持つ実質的に矩形の形状をしている。図３から分かるように、各中心電極パッド（例えば、５０および６０）は、非導電性のＰＣＢ表面のほぼ等しい幅のセクションによって分離された複数の垂直の導電性トレース（各々、約１ｍｍの幅）を含む。ここで、各々の導電性トレースは、上側および下側端部を周囲を囲む導電性トレース材料によって接続されており、すべて抵抗（例えば、上側パッド５０については、Ｒ５）に接続される。各中心電極パッド（例えば、５０）は、約１．５ｍｍの幅を有し、ＡＳＩＣ（例えば、３６）に接続された上側の外側電極５２によって完全には、取り囲まれない。

別の電極パターンの実施の形態が図６および７に示されている。図６は、平衡パッド・センサの電極パターン６９を含むプリント回路基板の導電性トレースの部品側のレイアウトを示す縮尺図であり、図７は、ＰＣＢ（例えば、ＰＣＢ３０など）の側面から見た、平衡パッド・センサの電極パターン６９の導電性トレースを示す端面図である。上で述べたように、平衡パッドあるいは電極のパターンは、内側電極（例えば、中心パッド７０）に関する導電性トレース領域を有し、それは、それに対応する外側電極リング（例えば、外側電極７２）の領域に等しい（あるいは、ＰＣＢの製造許容誤差の範囲内で可能な限り等しい）。パッド７０および外側電極７２は、両方ともオプションとしてアース・リング７６を提供する中空でない導電性トレース材料の周辺によって取り囲まれる。

オプションのアース・リング７６は、船やビルジ材料のセンサ２０の動作に対する効果を低減するのに有用である。アース・リング７６を含める場合、センサ２０は、センサの動作特性にほとんど影響しないように、導電性（例えば、アルミニウムやスチール）ビルジ又は誘電体（例えば、ファイバ・グラス）ビルジのいずれかの中に作り込まれる。

別の電極パターンの実施の形態が図８に示されている。この図は、ＰＣＢ（例えば、ＰＣＢ３０など）の側面から見た、平衡パッド・センサの電極パターン７９を含むプリント回路基板の導電性トレースを両面にレイアウトした場合の端面を示す。上と同じように、平衡パッドあるいは電極のパターンは、ＰＣＢの片側に搭載された内側電極（例えば、中心パッド８０）に関する導電性トレース領域を有し、それは、ＰＣＢ３０の反対側のそれに対応する外側電極リング（例えば、外側電極８２）の領域に等しい（あるいは、ＰＣＢの製造許容誤差の範囲内で可能な限り等しい）。パッド８０および外側電極８２は、両方とも中空でない導電性トレース材料の周囲によって少なくとも部分的に取り囲まれて、外側電極８２から間隔を置いたアース・リング８６を提供する。

マイクロプロセッサ制御を備えた別の実施の形態は、ポンプのターン・オンおよびオフに関して遅延を与えるようにプログラムすることができる。マイクロ・コントローラは、上側レベル・パッド６０と下側レベル・パッド５０を読み取るようにプログラムされている。両パッドは、ビルジ・ポンプをターン・オンする前に少なくとも２５６回の連続的な読み取りを行うように駆動されなければならない。読み取り間の間隔は、０．００１１秒であるので、ポンプをターン・オンする前に両パッドが活動状態にあって連続的な読み取りを行う合計時間は、０．２８６秒となる。任意の時刻に、一方のセンサが停止したときは、読み取りがキャンセルされて、ポンプ励起操作は、実行されない。ポンプが停止している期間に、コントローラは、それ自身を２．５秒間だけスリープ状態に置いて、その後に目覚めて上側および下側パッド５０、６０の両方を読み取る。このように、水位の読み取り間に設けられる時間長は、約２．７８秒となる。この事前プログラム方式のアルゴリズムによって、水が単にビルジ１０中で脈動しているときに、ポンプをターン・オンすることのない確率が高くなり、しかも十分迅速な応答を与えることができるようになる。この事前プログラム・アルゴリズムは、好ましくは、メモリに記憶されて、ファジー論理の原理と同じように動作する。

「脈動」を克服するためにその他の方法を用いることもできる。各種の電子的な方法には、「ワン・ショット」、「パルス・スイッチングおよびタイミング回路」および「低域通過フィルタ」などのシンプルなタイミング回路を用いたものが含まれる。しかし、これらは、どれも、制御機能のすべてをマイクロ・コンピュータを用いた簡単な回路に含めた単一チップのマイクロ・コンピュータを用いるものほど経済的でない。

機械式のアンチ・スロッシング制御方法には、樹脂製チェンバあるいはシールドを感知領域の周りに配置して、水がチェンバにゆっくり出入りするようにして、ｓｅｎｏｒの領域で水位が急激に変動しないようにする方法が含まれる。この流動減衰方式は、水位が駆動レベル付近にあって、水がわずかに動いただけでも、あるいは電気雑音によってセンサ振動が引き起こされる場合でも、センサが頻繁にオン／オフするのを防止する。機械式のアンチ・スロッシング・チェンバは、低域通過および比較器など単純な電子式フィルタ回路と接続されるが、これは、例示したデザインよりも多くの樹脂を必要とする。スロッシング・プルーフの機械的方法は、我々のここに提示したマイクロ・コントローラ方式のデザインと一緒に使用することができる。アンチ・スロッシング・チェンバは、水の流入箇所が汚物および／又は破片によって詰まる場合には、問題を引き起こす。

例示されたマイクロ・コントローラを用いた解決策は、最大の柔軟性および信頼性を有する、最も単純で、最小、最も経済的で、最小のエネルギー消費の結果を実現し、従ってマイクロ・コンピュータを用いない解決策又は機械的方法よりも優れている。

新しい進歩した方法の好適な実施の形態について説明してきたが、ここに提示した教えの観点から当業者には、その他の修正、変形および変更が示唆される。従って、そのような変形、修正および変更は、すべて特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に含まれると信じる。

本発明に従うビルジ流体レベル制御およびセンサ・システムの側面図。 本発明に従う図１の流体レベル制御およびセンサ・システムの部分的断面図。 本発明に従う図１および２の流体レベル制御およびセンサ・システムに関するプリント配線基板アセンブリの主要な裏面あるいはドライ表面の裏面図。 本発明に従う図１、２および３の流体レベル制御およびセンサ・システムに関するプリント配線基板アセンブリの回路図。 本発明に従う電界効果流体レベル・センサ・システムの流体を貫通するアーク状電界を示す図。 平衡パッド・センサ電極パターンを含むプリント回路基板の導電性トレースの部品側レイアウトを示す縮尺図。 平衡パッド・センサ電極パターンを含む図６のプリント回路基板の導電性トレースを示す横から見た端面図。 平衡パッド・センサ電極パターンを含むプリント回路基板の導電性トレースを示す別の両面型実施の形態の横から見た端面図。

Claims (30)

1. 移動する流体レベルを検出し被制御装置を駆動できる流体レベル・センサ装置であって、
   第１および第２の対向する表面を有する実質的に均一な厚さの液密な障壁であって、前記第１障壁表面が流体に露出している液密な障壁と、
   第１および第２の対向する表面を有する実質的に均一な厚さの誘電体基板であって、前記基板が前記障壁第２表面に近接している誘電体基板と、
   基板に閉じた連続的な幾何学形状に配置され、流体が前記障壁に接触することによって実質的に覆われる領域を有する第１の薄い導電性電極パッドと、
   基板に、前記第１の電極パッドに対して間隔を置いて同一面内で実質的に取り囲むように配置された第２の薄い導電性電極と、
   基板に前記第１および第２の電極に近接して配置され、前記第１および第２の電極に電気的に接続されて、流体が前記障壁に接触することによって被制御装置を駆動する能動電気部品と、
   を含む前記流体レベル・センサ装置。
2. 請求項１記載の流体レベル・センサ装置であって、更に、
   液密な容器は、前記液密な障壁に近接したキャビティを取り囲んでおり、前記基板は、前記キャビティ内部に密封されている流体レベル・センサ装置。
3. 請求項２記載の流体レベル・センサ装置であって、前記基板は、前記容器キャビティ内部にオーバー・モールドされている流体レベル・センサ装置。
4. 請求項３記載の流体レベル・センサ装置であって、前記電界は、前記第２の電極から発して、前記第１の電極に終端するアーク状の経路を有する流体レベル・センサ装置。
5. 請求項４記載の流体レベル・センサ装置であって、前記流体レベル・センサは、前記流体レベル・センサの状態を示す検出信号を発生する流体レベル・センサ装置。
6. 請求項５記載の流体レベル・センサ装置であって、前記検出信号のレベルは、前記流体レベルが前記障壁第１表面に接触し、前記基板に接近するときに変化する流体レベル・センサ装置。
7. 請求項１記載の流体レベル・センサ装置であって、前記基板は、ガラスである流体レベル・センサ装置。
8. 請求項１記載の流体レベル・センサ装置であって、前記基板は、樹脂である流体レベル・センサ装置。
9. 請求項１記載の流体レベル・センサ装置であって、前記基板は、グラスファイバで強化されたエポキシ樹脂を含む流体レベル・センサ装置。
10. 請求項１記載の流体レベル・センサ装置であって、チャネルが前記第１と第２の電極の間に位置し、前記チャネルは、一般に均一な幅を有する流体レベル・センサ装置。
11. 請求項１記載の流体レベル・センサ装置であって、複数の前記流体レベル・センサ電極が前記基板の前記第１の表面に配置されている流体レベル・センサ装置。
12. 請求項１記載の流体レベル・センサ装置であって、複数の前記流体レベル・センサ電極が前記基板に配置され、縦方向のアレイ状に配置されている流体レベル・センサ装置。
13. 流体との接触を検出し、被制御装置を駆動できる低インピーダンスの流体レベル・センサ装置であって、
    誘電体キャリアと、
    前記キャリアに、流体の接触領域によって実質的に覆われる領域を有する閉じた連続的な幾何学形状に配置された第１の薄い導電性電極パッドと、
    前記キャリアに、前記第１の電極に対して間隔を置いて実質的に取り囲むように配置された第２の薄い導電性電極と、
    前記キャリアに、前記第１および第２の電極に近接して配置され、前記第１および第２の電極に電気的に接続された能動電気部品と、
    第１および第２の対向する表面を有する誘電体基板であって、前記誘電体キャリアは、前記誘電体基板の前記第１の表面に配置されて、流体が前記基板に接触することによって被制御装置を駆動する誘電体基板と、
    を含む前記流体レベル・センサ装置。
14. 請求項１３記載の装置であって、前記基板の前記第１の表面は、流体が接触しない表面であり、前記基板の前記第２の表面は、流体が接触する表面である装置。
15. 流体の接触を検出し、被制御装置を駆動できる低インピーダンスの流体近接センサ装置であって、
    第１および第２の対向する表面を有する誘電体基板と、
    前記基板に、流体の接触領域によって実質的に覆われる領域を有する閉じた連続的な幾何学形状に配置された第１の薄い導電性電極パッドと、
    前記基板に、前記第１の電極パッドに対して間隔を置いて同一平面で実質的に取り囲むように配置された第２の薄い導電性電極と、
    前記基板の前記第１の表面に、前記第１および第２の電極に近接して配置され、前記第１および第２の電極に電気的に接続されて、流体が前記基板と接触することによって被制御装置を駆動する能動電気部品と、
    を含む前記流体近接センサ装置。
16. 請求項１５記載の流体近接センサ装置であって、前記能動装置は、発振器信号で前記電極を励起するように構成されたＡＳＩＣである流体近接センサ装置。
17. 請求項１６記載の流体近接センサ装置であって、更に、前記基板に配置され、前記ＡＳＩＣと第１および第２の電極の一方との間に電気的に接続された少なくとも１つの利得チューニング抵抗を含む流体近接センサ装置。
18. 請求項１７記載の流体近接センサ装置であって、複数の前記流体近接センサは、前記基板に配置されている流体近接センサ装置。
19. 請求項１７記載の流体近接センサ装置であって、前記流体近接センサＡＳＩＣは、上昇する流体レベルに応答して検出信号を発生する流体近接センサ装置。
20. 流体の接触を検出し、被制御装置を駆動できる複数の流体感知パッドであって、各流体感知パッドは、
    誘電体キャリアと、
    周囲端部を有し、前記キャリアに、流体の接触領域によって実質的に覆われる領域を有する閉じた連続的な幾何学形状に配置された第１の薄い導電性電極パッドと、
    前記キャリアに、前記第１の電極に対して間隔を置いて配置された第２の薄い導電性電極であって、前記第２の電極は、隣接する流体感知パッドを有する周辺端部で前記第１の電極を取り囲む第２の薄い導電性電極と、
    第１および第２の対向する表面を有する誘電体基板であって、前記キャリアは、前記基板の前記第１の表面に配置され、それによって流体が前記基板に接触することによって被制御装置を駆動する誘電体基板と、
    を含んでいる複数の流体感知パッド。
21. 移動する流体を検出し、流体の存在が検出された信号を発生するか、あるいは被制御装置を駆動できる流体近接センサであって、前記流体近接センサ装置は、
    第１および第２の対向する表面を有し、実質的に均一な厚さの液密な誘電体基板と、
    前記基板の前記第１の表面に、流体が前記基板第２表面に接触することによって実質的に覆われる領域を有する閉じた連続的な幾何学形状に配置された第１の薄い導電性電極パッドと、
    前記基板の前記第１の表面に、前記第１の電極パッドに対して間隔を置いて同一平面で実質的に取り囲むように配置された第２の薄い導電性電極と、
    前記基板に、前記第１および第２の電極に近接して配置され、前記第１および第２の電極に電気的に接続されて、流体が前記基板第２表面に接触することによって被制御装置を駆動する能動電気部品と、
    を含む前記流体近接センサ。
22. 請求項２１記載の流体近接センサであって、前記基板の前記第１の表面に配置された前記第１の薄い導電性電極パッドは、前記第２の導電性電極の領域と実質的に等しい面積の領域を有する平衡パッド電極を含む流体近接センサ。
23. 請求項２２記載の流体近接センサであって、前記平衡パッド電極は、一端を他の導電性トレースに接続され、非導電性の誘電体材料のセグメントによって分離された複数の導電性トレースを有する実質的に平坦な電極を含む流体近接センサ。
24. 請求項２３記載の流体近接センサであって、前記平衡パッド電極は、実質的に矩形の導電性周辺を有する流体近接センサ。
25. 請求項２３記載の流体近接センサであって、更に、前記基板に、前記第２の電極を取り囲んで配置された実質的に平坦な導電性アース・リングを含む流体近接センサ。
26. ビルジ・ポンプを動作させる方法であって、
    ａ）ビルジ内部に、その中に少なくとも１つの電界効果センサを有する密封された容器を配置する工程と、
    ｂ）センサによって電磁場を発生させる工程と、
    ｃ）電磁場の変化を検出することによって、近接した流体の存在を感知する工程と、
    を含む方法。
27. 請求項２６記載の方法であって、更に、
    ｄ）流体が検出されたときに、ビルジ・ポンプを動作させる工程、
    を含む方法。
28. 請求項２７記載の方法であって、更に、
    ｅ）流体が最早検出されないときに、ビルジ・ポンプの動作を停止させる工程、
    を含む方法。
29. 請求項２７記載の方法であって、更に、
    ｅ）流体レベルが選ばれた下側レベルにあると判断されたときに、ビルジ・ポンプの動作を停止させる工程、
    を含む方法。
30. 請求項２６記載の方法であって、更に、
    ｄ）タイマをスタートさせて、流体が存在する時間長を測定する工程であって、感知された状態が流体の脈動によるものでないことを示す時間長だけ流体が存在する場合には、
    ｅ）ビルジ・ポンプを動作させる工程、
    を含む方法。

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