JP6251736B2 - 容量性レベルセンサ - Google Patents
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Description
本願は、容量性の液体レベルセンサに関する。
市場において、液体レベルを検出するためにキャパシタンスを使用する容量性液体レベルセンサには多くの例がある。
既知のタイプの液体レベルセンサは、シリンダを有し、このシリンダには、被検査液体が（部分的に）充填される。キャパシタ板電極は、細長いストリップの形態で、シリンダ壁の外側にまで延在する。シリンダの周囲には、一連の電極があり、これらの電極は、相互にキャパシタ板の組を定める。液体は電極間の誘電率に影響を及ぼすため、キャパシタンスは、シリンダ内の流体レベルに依存する。液体のレベルは、この誘電率が有効に網羅するキャパシタ面積を決める。
この標準的な容量性液体レベルセンサには、基本的に2つの問題がある。センサが作動角に対して敏感なこと、およびこのセンサが、原理的に限られた動的範囲を有することである。
本発明では、請求項1に記載のレベルセンサが提供される。
本発明では、液体レベルセンサであって、
ベース部を有し、液体を受容する容器と、
液体の誘電率および前記容器内の前記液体の高さに基づいて、前記容器内の液体レベルを検出するキャパシタ配置と、
前記容器内で、前記ベース部から上部に延在する偏向器であって、前記容器の高さに垂直な平面は、前記ベース部で最大面積を有し、前記偏向器の上部に向かって面積が減少する偏向器と、
を有する液体レベルセンサが提供される。
ベース部を有し、液体を受容する容器と、
液体の誘電率および前記容器内の前記液体の高さに基づいて、前記容器内の液体レベルを検出するキャパシタ配置と、
前記容器内で、前記ベース部から上部に延在する偏向器であって、前記容器の高さに垂直な平面は、前記ベース部で最大面積を有し、前記偏向器の上部に向かって面積が減少する偏向器と、
を有する液体レベルセンサが提供される。
このセンサは、コンテナ内に偏向器を有する。これは、容器に対して中心に配置されることが好ましい。その結果、容器の充填レベルは、液体体積の非線形関数となる。これにより、センサを用いて、少量の液体レベルを検出することが可能となり、さらに作動角の変化に対する許容性を高めることが可能になる。
偏向器は、円錐またはフラストコニカルな外形状を有しても良い。
偏向器のベース面積は、容器のベース面積の少なくとも1／2であることが好ましい。この場合、容器が空に近い場合、液体体積の小さな変化により、液体レベルに大きな変化が生じ、これを検出することが可能になる。
偏向器は、容器の少なくとも1／2の高さ位置に延伸することが好ましい。この場合、偏向器は、少なくとも液体体積が比較的少ないときに使用される。しかしながら、偏向器は、容器の高さ全てに延伸しても良い。
偏向器の上部の面積は、偏向器のベース面積の1／2以下であり、この場合、顕著なテーパー形状が提供される。
キャパシタ配置は、容器の周囲に一連の並列キャパシタ電極を有し、各電極は、前記容器の高さ方向に延伸し、電極の組は、2つのキャパシタ端子が存在するように相互に接続される。一連の並列キャパシタ電極は、容器の周囲に覆われた可撓性プリント回路基盤の上に形成された銅のトラックであっても良い。
液体の誘電率を検出するため、前記容器に流体連通された第2の容器を有提供しても良い。この場合、例えば、一定体積の試薬の比誘電率を測定することにより、試薬種を検出することができる。全ての試薬は、決定可能な誘電率を有し、いったんこれが測定されると、参照表を用いて、第2の容器に充填された試薬を定めることができる。
第2の容器は、容器の下側に配置されたシリンダを有しても良い。従って、第2の容器は、最初に充填され、センサの上部には、単一の充填開口が存在する。また、第2の容器の周囲には、キャパシタ電極配置が提供されても良い。
一例では、容器は、10mmから20mmの範囲の内径、および10mmから40mmの範囲の高さを有するシリンダを有し、偏向器は、ベース直径が内部シリンダ径の75％から100％の範囲の円錐形状を有し、またはベース直径が前記内部シリンダ直径の75％から100％であり、上部直径が前記内部シリンダ直径の60％未満であるフラストコニカルな形状を有する。第2の容器シリンダは、1mmから5mmの範囲の内径を有しても良い。
以下、図面を参照して、本発明の一例について詳しく説明する。
本発明では、容量性液体レベルセンサが提供される。当該センサにおいて、液体を受容する容器は、該容器の内部に、ベース部から上部に延伸する偏向器を有し、これは、その先端に向かって寸法が小さくなるテーパ形状を有する。これは、容器の底部において、容器の端部に液体が拘束されることを意味し、これにより、少量の液体においても、改善された解像度が得られる。また、偏向器は、容器の傾斜が存在する際に、液体の流れを妨害するバッフルとして機能する。
図1には、本発明による容量性の流体センサの容器を示す。
容量性の液体レベルセンサは、偶数個の周囲金属電極12を有するコンテナ10を有し、これらの電極は、細長い形状を有し、垂直方向に配置される。電極は、2つの対向するキャパシタ板を定める。これらは、垂直ストリップにセグメント化され、これにより、容器の周囲の電極を担持するPCBを曲げることが可能となる。
コンテナ内の液体は、誘電率を有し、キャパシタンスは、誘電率に比例し、さらには液体レベルと略比例する。
キャパシタンスは、例えば、シリアル出力を提供するキャパシタ測定チップにより、測定することができる。
電極からの電界（電場）は、電極に対して垂直に広がり（すなわち放射状に容器を横断し）、電界は、電極の最近接位置で最大となる。また、電界の強度は、電極に最近接の液体がキャパシタンスに最も影響することを意味する。
容器が傾斜した場合、電極と液体の間の異なる（および複雑な）相互作用により、キャパシタンスは変化する。従来の容量性液体レベルセンサは、その作動角度によって生じる誤差の影響を受ける。これは、含まれる液体量と近似的に比例する。容器が液体で完全に満たされた場合、これは、あらゆる角度にわたって移動し、検知用キャパシタ板内に含まれる液体の量は、誤差が存在しない場合と同様に維持される。
しかしながら、例えば、45°の角度（容器の半径方向に対向する両側における両キャパシタ板の間）で、容器の半分が液体で充填された場合、一つのキャパシタ板は、他のキャパシタ板よりも有意に少ない液体と接触する。液体は、一つの電極では前のものよりも高さが上昇するものの、キャパシタンスは、液体誘電体で完全に充填された電極間の面積が減少するため、減少する。板の間の（完全な）液体の面積に比例するキャパシタンスにより、キャパシタンスは、小さくなり、従って誤差が生じ易くなる。
本発明の容器は、容器内に、ベース部から上方に延伸する偏向器14を有する。偏向器は、上向きの方向にテーパ化され、これは、（容器の高さ方向に垂直な断面において）ベース部でより大きな面積を有し、この面積は、偏向器の上部に向かって減少する。これは、容器の下側において、液体は、外壁に近づくような力を受け、従って電極に近づくことを意味する。
このように、液体の量の僅かの増加により、液体レベルの大きな上昇が生じ、高められた動的範囲が得られる。特に、感度は、収容される液体の量に比例する。コンテナが空の場合、液体の僅かの増加によって、キャパシタ板によって認められる液体の大きな上昇が得られる。コンテナがほぼ満たされると、少量の液体の増加により、キャパシタ板により認められる液体の僅かの上昇が得られる。
傾斜によって生じる誤差は、内部偏向器の追加によって低減される。この偏向器は、バッフルとして機能し、コンテナおよび偏向器壁の表面張力の結果、傾斜が存在する際の液体の動きが抑制される。これにより、センサ出力に対する角度の影響が抑制される。また、偏向器は、液体が電極の近傍に近づくように力を及ぼし、傾斜誤差を抑制する効果が得られる。
示された例では、偏向器は、円錐またはフラストコニカルな外形状を有する。これは、偏向器の外側囲いが、（垂直平面内で）真っ直ぐであることを意味する。しかしながら、これは必ずしも必要ではなく、偏向器は、非線形的に表面積が減少しても良い。偏向器のベース面積は、容器のベース部に対応する。あるいは、これは、図1に示すように、容器のベース部の一部分のみを被覆しても良い。偏向器の底部の面積は、容器のベース面積の少なくとも半分であることが好ましい。これにより、感度が向上する。
偏向器は、図1に示すように、容器の全ての方向に延伸しても良い。ただし、これは、容器体積の一部分のみ、例えば少なくとも半分だけ、延伸しても良い。偏向器は、円錐（すなわち上部の点までテーパー化され）、または上部が切除された（フラスト）コニカル形状であっても良い。円錐台の場合、テーパーは、偏向器の上部の面積が、偏向器のベース部の面積の半分以下となるように形成される。
また、図1には、第2の容器16を示す。これは、メイン容器と流体連通し、少量の液体を保持する。これは、最初に満たされ、従って、レベル検知容器の下側にある。この第2の容器を用いて、誘電率を測定することにより、（従来の方法で）チャンバ内に満たされた試薬種が構築される。次に、この誘電率を用いて、試薬の誘電率値の参照表が処理される。
従って、図1のセンサは、実質的に2つの円筒状容器を有する。一例では、メイン容器は、通常20mmの高さと、15mmの内径とを有する。この容器内には、円錐状の偏向器があり、これは、通常底部で13mmの直径を有し、上部で6mmの直径を有する。シリンダの外端の周囲には、一連のキャパシタ板がある。
第2のシリンダは、通常、10mmの高さと、3mmの直径とを有する。また、この第2の容器シリンダの外端の周囲には、一連のキャパシタ板がある。
2つのキャパシタ板配置は、それぞれのシリンダの周囲で可撓性のPCBを覆うことにより形成され、キャパシタ電極板は、銅のPCBトラックで構成される。
図2には、そのような可撓性PCB配置18を示す。キャパシタ電極12は、2つのキャパシタ板を定める2つの群12a、12bとして示されており、これらは、キャパシタンス測定回路20に接続される。PCBは、概略的に22で示された他の回路成分を担持する。各キャパシタ電極は、容器の高さ方向に延伸し、2組の電極は、2つのキャパシタ端子が存在するように相互に接続される。
典型的な具体的寸法の一例は、前述の通りである。一般に、メイン容器シリンダは、10mmから20mmの範囲の内径を有し、10mmから40mmの範囲の高さを有する。偏向器は、円錐形状またはフラストコニカル形状を有する。円錐形状におけるベース部の直径は、内部シリンダ直径の75％から100％の範囲である。フラストコニカルのベース直径は、内部シリンダ直径の75％から100％の範囲であり、上部直径は、内部シリンダ直径の60％未満であり、内部シリンダ直径の30％から60％の範囲であることが好ましい。
前述の例では、容器は、円筒状であり、偏向器は、円錐状である。しかしながら、容器は如何なる形状であっても良く、例えば、多角形シリンダであっても良い。偏向器は、容器形状と同じ多角形のベース部を有する、ピラミッド（または上部が切除されたピラミッド）であっても良い。
前述の例では、2つの容器が示されているが、本発明は、例えば液体の分析が不要な場合、およびレベル検知機能のみが必要な場合、メイン容器のみで実施することができる。
容器の周囲に全ての電極を有するキャパシタンス配置の一例について示した。しかしながら、他の配置も可能である。例えば、丁度2つの電極が、相互に反対に対向して配置されても良い。4つの電極が、容器の周囲に90°の角度で配置されても良い。これは、2つのキャパシタを定め、これは、直列方式で測定することができる。従って、2つの固定されたキャパシタ端子の代わりに、および単一のキャパシタンス測定の代わりに、対向する電極の2または3以上の組に対して、順次、別個のキャパシタンス測定を行うことができる。従って、各種キャパシタ端子配置が可能となる。
本発明は、いかなる液体検出、レベル検知、または液体投与装置に使用されても良い。
明細書および特許請求の範囲において、センサは、容器の内部に偏向器を有するものとして記載されている。当然のことながら、これらは、単一のモジュール化された部材として組み立てられても良い。
当業者には、図面、開示内容、および請求項を参照して、特許請求の範囲に記載の発明を実施することにより、示された実施例に対する他の変更例が理解され、実施され得る。請求項において、「有する」と言う用語は、他の素子またはステップを排除するものではなく、「一つの」と言う用語は、複数のものを排斥するものではない。単にある手段が複数の異なる従属請求項に記載されていることから、これらの手段の組み合わせが有意に使用できないと解してはならない。請求項におけるいかなる参照符号も、本発明の範囲を限定するものと解してはならない。
いくつかの態様を記載しておく。
〔態様１〕
液体レベルセンサであって、
ベース部を有し、液体を受容する容器と、
前記液体の誘電率および前記容器内の前記液体の高さに基づいて、前記容器内の液体レベルを検出するキャパシタ配置と、
前記容器内で、前記ベース部から上部に延在する偏向器であって、前記容器の高さに垂直な平面は、前記ベース部で最大面積を有し、前記偏向器の上部に向かって面積が減少する偏向器と、
を有する液体レベルセンサ。
〔態様２〕
前記偏向器は、円錐またはフラストコニカルな外形状を有する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様３〕
前記偏向器のベース面積は、前記容器のベース面積の少なくとも1／2である、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様４〕
前記偏向器は、前記容器の少なくとも1／2の高さ位置に延伸する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様５〕
前記偏向器は、前記容器の全ての高さ位置に延伸する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様６〕
前記偏向器の上部における面積は、前記偏向器のベース面積の1／2以下である、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様７〕
前記キャパシタ配置は、前記容器の周囲に一連の並列キャパシタ電極を有し、各電極は、前記容器の高さ方向に延伸し、電極の組は、2つのキャパシタ端子が存在するように相互に接続される、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様８〕
前記一連の並列キャパシタ電極は、前記容器の周囲に覆われた可撓性プリント回路基盤の上に形成された銅のトラックである、態様7に記載の液体レベルセンサ。
〔態様９〕
さらに、前記液体の誘電率を検出するため、前記容器に流体連通された第2の容器を有する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１０〕
前記第2の容器は、前記容器の下側に配置されたシリンダを有する、態様9に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１１〕
前記第2の容器のシリンダは、1mmから5mmの範囲の内径を有する、態様10に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１２〕
前記第2の容器の周囲にキャパシタ電極配置を有する、態様9に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１３〕
前記容器は、10mmから20mmの範囲の内径、および10mmから40mmの範囲の高さを有するシリンダを有し、
前記偏向器は、
ベース直径が内部シリンダ径の75％から100％の範囲の円錐形状を有し、または
ベース直径が前記内部シリンダ直径の75％から100％であり、上部直径が前記内部シリンダ直径の60％未満であるフラストコニカルな形状を有する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１４〕
前記偏向器は、フラストコニカルな形状を有し、
上部直径は、前記内部シリンダ直径の30％から60％の範囲である、態様13に記載の液体レベルセンサ。
いくつかの態様を記載しておく。
〔態様１〕
液体レベルセンサであって、
ベース部を有し、液体を受容する容器と、
前記液体の誘電率および前記容器内の前記液体の高さに基づいて、前記容器内の液体レベルを検出するキャパシタ配置と、
前記容器内で、前記ベース部から上部に延在する偏向器であって、前記容器の高さに垂直な平面は、前記ベース部で最大面積を有し、前記偏向器の上部に向かって面積が減少する偏向器と、
を有する液体レベルセンサ。
〔態様２〕
前記偏向器は、円錐またはフラストコニカルな外形状を有する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様３〕
前記偏向器のベース面積は、前記容器のベース面積の少なくとも1／2である、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様４〕
前記偏向器は、前記容器の少なくとも1／2の高さ位置に延伸する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様５〕
前記偏向器は、前記容器の全ての高さ位置に延伸する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様６〕
前記偏向器の上部における面積は、前記偏向器のベース面積の1／2以下である、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様７〕
前記キャパシタ配置は、前記容器の周囲に一連の並列キャパシタ電極を有し、各電極は、前記容器の高さ方向に延伸し、電極の組は、2つのキャパシタ端子が存在するように相互に接続される、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様８〕
前記一連の並列キャパシタ電極は、前記容器の周囲に覆われた可撓性プリント回路基盤の上に形成された銅のトラックである、態様7に記載の液体レベルセンサ。
〔態様９〕
さらに、前記液体の誘電率を検出するため、前記容器に流体連通された第2の容器を有する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１０〕
前記第2の容器は、前記容器の下側に配置されたシリンダを有する、態様9に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１１〕
前記第2の容器のシリンダは、1mmから5mmの範囲の内径を有する、態様10に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１２〕
前記第2の容器の周囲にキャパシタ電極配置を有する、態様9に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１３〕
前記容器は、10mmから20mmの範囲の内径、および10mmから40mmの範囲の高さを有するシリンダを有し、
前記偏向器は、
ベース直径が内部シリンダ径の75％から100％の範囲の円錐形状を有し、または
ベース直径が前記内部シリンダ直径の75％から100％であり、上部直径が前記内部シリンダ直径の60％未満であるフラストコニカルな形状を有する、態様1に記載の液体レベルセンサ。
〔態様１４〕
前記偏向器は、フラストコニカルな形状を有し、
上部直径は、前記内部シリンダ直径の30％から60％の範囲である、態様13に記載の液体レベルセンサ。
Claims (14)
- 液体レベルセンサであって、
ベース部を有し、液体を受容する容器と、
前記液体の誘電率および前記容器内の前記液体の高さに基づいて、前記容器内の液体レベルを検出するキャパシタ配置であって、前記キャパシタ配置は前記容器の周囲に配される、キャパシタ配置と、
前記容器内で、前記ベース部から上部に延在する偏向器であって、前記容器の高さに垂直な平面は、前記ベース部で最大面積を有し、前記偏向器の上部に向かって面積が減少する偏向器と、
を有する液体レベルセンサ。 - 前記偏向器は、円錐またはフラストコニカルな外形状を有する、請求項1に記載の液体レベルセンサ。
- 前記偏向器のベース面積は、前記容器のベース面積の少なくとも1／2である、請求項1に記載の液体レベルセンサ。
- 前記偏向器は、前記容器の少なくとも1／2の高さ位置に延伸する、請求項1に記載の液体レベルセンサ。
- 前記偏向器は、前記容器の全ての高さ位置に延伸する、請求項1に記載の液体レベルセンサ。
- 前記偏向器の上部における面積は、前記偏向器のベース面積の1／2以下である、請求項1に記載の液体レベルセンサ。
- 前記キャパシタ配置は、前記容器の周囲に一連の並列キャパシタ電極を有し、各電極は、前記容器の高さ方向に延伸し、電極の組は、2つのキャパシタ端子が存在するように相互に接続される、請求項1に記載の液体レベルセンサ。
- 前記一連の並列キャパシタ電極は、前記容器の周囲に覆われた可撓性プリント回路基盤の上に形成された銅のトラックである、請求項7に記載の液体レベルセンサ。
- さらに、前記液体の誘電率を検出するため、前記容器に流体連通された第2の容器を有する、請求項1に記載の液体レベルセンサ。
- 前記第2の容器は、前記容器の下側に配置されたシリンダを有する、請求項9に記載の液体レベルセンサ。
- 前記第2の容器のシリンダは、1mmから5mmの範囲の内径を有する、請求項10に記載の液体レベルセンサ。
- 前記第2の容器の周囲にキャパシタ電極配置を有する、請求項9に記載の液体レベルセンサ。
- 前記容器は、10mmから20mmの範囲の内径、および10mmから40mmの範囲の高さを有するシリンダを有し、
前記偏向器は、
ベース直径がシリンダ内径の75％から100％の範囲の円錐形状を有し、または
ベース直径が前記シリンダ内径の75％から100％であり、上部直径が前記シリンダ内径の60％未満であるフラストコニカルな形状を有する、請求項1に記載の液体レベルセンサ。 - 前記偏向器は、フラストコニカルな形状を有し、
上部直径は、前記シリンダ内径の30％から60％の範囲である、請求項13に記載の液体レベルセンサ。
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