JP6352431B2 - 容量検知プローブ運動制御システム - Google Patents
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Description
本出願は、2014年1月28日出願の米国非仮特許出願第14/165,971号、表題「CAPACITIVE SENSING PROBE MOTION CONTROL SYSTEM」に対する優先権を主張する国際特許出願であり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
容量検知は、容量結合に基づく技術である。容量センサは、容量センサ近くの材料特性、例えば誘電体混合物の特性を検出することができる。材料は、導電性であっても、および/またはその周囲と異なる誘電性を有してもよい。容量検知は、多くの様々な種類のセンサにおいて使用され、それには、近接、位置または変位、湿度、流体レベル、および加速度を検出かつ測定するものが含まれる。容量の変化を検出するための容量センサがより精密かつ信頼性が高くなるにつれて、容量検知はより普及するようになった。例えば、容量センサは、多くのデバイス、例えばラップトップトラックパッド、デジタルオーディオプレーヤ、コンピュータディスプレー、携帯電話、モバイルデバイス、タブレットなどにおいて使用される。設計エンジニアは、それらの融通性、信頼性、およびロバスト性のために、ならびに機械的スイッチに対するコスト削減のために容量センサを選び続ける。本開示は、容器中の流体表面に向かって移動するプローブを制御するために容量検知を使用する方法、および、場合によっては、容器中の流体のレベルを決定する方法に注目する。
診断機器は、小さい容器、例えば試験管、キュベット、および試薬瓶中の流体と連動すべきである。流体レベルは、試料吸引(すなわち、流体表面のすぐ下の試料を採取する)のための(移動)プローブと容器との間の適切な界面として知られていなければならない。典型的には、診断機器は、1mmの精度かつ0.5mm未満の解像度を必要とし得る。これらのシステムの課題は、移動プローブのための高速、環境感度、整合性、複雑性、およびコストを保つことを含む。
制御システムの1つの目的は、容器中の流体表面と接触しつつあることを予測するために、流体表面に対するプローブの位置の十分な精度の測定値を有しながら、十分な速度によって、運動制御エンジンを使用して、プローブを移動させることである。制御システム(例えば、アプローチエンジンを含む)は、容量デジタルコンバータ(CDC)を使用して入力として、容量センサから容量測定値を受け取る。容量測定値および任意選択的に運動制御エンジンからのプローブの位置情報を使用して、制御システムのアプローチエンジンを有するプロセッサは、信号を運動制御エンジン(または運動制御エンジンに指示するための送信データ)に送信し、容器中の流体表面に向かってプローブを適切に移動させることができ、プローブが流体表面に達すると、プローブを停止する。
本開示において、容量測定が行われるコンデンサは、2つの端子/プレート、流体を保持する容器の下に位置する導電プレートおよび移動プローブ自体を備える。励起信号は、コンデンサの一方の端子/プレートに適用され、他方の端子/プレートは、容量デジタルコンバータ(CDC)入力に接続される。測定された容量は、端子が励起信号またはCDC入力に接続されるにかかわらず、同じであり得る。測定された容量の絶対値は、プレートおよびプローブの波形率、誘電体の構造、プローブからプレートまでの距離、および他の環境要因に依存し得る。誘電体が(プローブからキュベットの下のプレートまでの順序で)空気、流体、および流体を保持するためのキュベットを含んでもよいことに留意されたい。本制御システムは、プローブがプレートに接近するにつれて、この誘電体混合物の変化する性質を利用する。
本開示の制御システムは、容量センサ(例えば、CDCを含む)からの容量測定値、および任意選択的にモータ制御エンジンからのプローブの位置情報を含む入力に基づいて、容器に向かうプローブを移動させる。本制御システムは、プローブを移動させるための運動制御エンジンを制御するための信号を出力することができる。この制御システムにおいて、容量測定値および位置情報は、運動制御エンジンを調整するためのフィードバック情報とみなすことができる。
プローブの運動制御は、容量測定値および任意選択的に導電プレートに対するプローブの位置情報に基づくために、プローブがいつ流体表面に達するかを予測するために誘電体混合物の特徴を最初に理解しなければならない。誘電体混合物の特徴は、流体および容器自体の差が容量値に影響を及ぼすことがあるため、用途で使用する流体自体および容器に基づいて異なることがある。また、容量測定自体は、プローブおよび導電プレート次第であり得る。
図3は、本開示のいくつかの実施形態による、(プローブが空のキュベットに接近する)容量に対するプローブ位置の例示的なプロットを示す。データは、空のキュベットに向かって約90mm移動するように構成されるプローブを示す。0mmは開始位置に相当し、90mmは空のキュベットにより近い終了位置および空のキュベットの下の導電プレートに相当する。プローブが空のキュベットおよび空のキュベットの下の導電プレートに向かってより近く移動するにつれて、プローブ位置値は増加する。設定次第で、スケールおよび可能な位置値は、異なる可能性がある。
べき級数モデルおよび不連続性:非空のキュベット
図5は、本開示のいくつかの実施形態による、(3つの異なる流体レベルで、それぞれが非空のキュベットに接近している3本のプローブに対応する3つの異なる一連のデータの)容量に対するプローブとプレートとの間の距離の例示的なプロットを示す。プローブと導電プレートとの間の距離が減少するにつれて(すなわち、プローブ位置情報値が増加するにつれて)、同様に図4のプロットにおいて観察されるように、容量は増加する。3つの一連のデータを示すこのプロットは、流体レベルに関する容量の差を例証する。種々の流体レベルおよびプローブ位置情報の既知のデータは、既知のデータによって示されるスプレッドに従って正確な流体レベルを決定するために使用することができる。プローブと導電プレートとの間の同じ距離で、容量は、(例えば、77.1mmの流体レベルを有する)より満ちたキュベットに対して最大であり、容量は、(例えば、85.2mmの流体レベルを有する)より少なく満ちたキュベットに対してより小さく、容量は、(例えば、89.2mmの流体レベルを有する)さらにより少なく満ちたキュベットに対して最小であることを示すことができる。
図6は、本開示のいくつかの実施形態による、(3つの異なる流体レベルで、それぞれが非空のキュベットに接近している3本のプローブに対応する3つの異なる一連のデータの)空のキュベットからのデータに基づき正規化された容量に対する、プローブとプレートとの間の距離の例示的なプロットを示す。本開示に関する正規化は、同じプローブ位置情報を有する空のキュベットによって観察される対応する容量値に基づいて測定された/生の容量値を減算するかまたは除算することを含み得る。データを正規化することによって、差またはスプレッドが観察されることで正規化された容量値は、より低い流体レベルに対しとりわけより小さい。プロットに示すように、正規化された容量測定値は、77.1mm(より満ちた)で流体レベルに対して最大、85.2mm(より少なく満ちた)で流体レベルに対してより低く、89.2mm(最も少なく満ちた)で流体レベルに対して最小であると評価する。これは、流体表面がキュベットの底部に極めて近いかどうかを測定するのに有用であり得るため、底部によってプローブを駆動しないように注意すべきである。図6に示すように、曲線間のスプレッドは、明らかであり(図5に示される生データより明らかである、このため、スプレッドによる正確な流体レベルを決定するために、種々の流体レベルおよびプローブ位置情報の既知のデータとして使用することができる。曲線の勾配が生データの勾配よりも正規化されたデータに対して大きいことにさらに留意されたい。より急激な勾配の変化は、位置の変化に対する容量の変化の勾配または推定勾配での閾値を設定するためにより有用/有益であり得る。
図7は、本開示のいくつかの実施形態による、(3つの異なる流体レベルで、それぞれが非空のキュベットに接近している3本のプローブに対応する3つの異なる一連のデータの)図6に示す正規化されたデータセットの容量における変化に対するプローブとプレートとの間の距離の例示的なプロットを示す。容量測定値の生の値を使用する以外に、流体に向かうプローブの運動を制御するために、本制御システムは、勾配の増加、すなわちプローブ位置の変化に対する容量の変化を加えて、または代わりに利用することができる。勾配によって、制御システムが、プローブが流体表面にどれくらい近いかを予測することができ、プローブが流体表面に達しているかどうかを検出するために容量の不連続性を検出することができる。プロットに示すように、プローブが容器中の流体表面の近くに到達しているかどうかを決定するために、所定の勾配閾値(またはいくつかの他の好適なトリガ基準)を使用することができる。
図8は、本開示のいくつかの実施形態による、容量に対する読み取り回数の例示的なアプローチプロットを示す。このアプローチプロットは、周期的な間隔で異なる読み取りで容量の挙動を例証する(しかしながら、プローブがどれくらい速く容器に向かって移動しているかは、示されない)。示されるアプローチプロファイルは、改質された指数関数移動平均を使用して除去されたデータを例証する。任意の種類の好適なフィルタ、例えば、他の移動平均フィルタ、またはスムージング機能は、容量測定におけるノイズを除去するための動作の間、データをフィルタリングするために使用することができる。第1の一連の読み取り(例えば、1〜23)は、容量の急速な上昇を示し、これは初期に補う移動平均のアーチファクトであり、実際の生の容量測定値の急勾配の増加の結果ではない。除去したデータの最後の一連の読み取りは、垂直線(例えば、793前方)、容量の急勾配の増加を示し、これは生の容量測定値における実際のジャンプを表す。
図9は、本開示のいくつかの実施形態による、容量に対する流体表面接触時のプローブ位置の例示的なプロットを示す。このプロットは、正規化される場合、制御システムがプローブが流体表面に達したかを検出する場合の容量測定値は、(図7に示すことができるスプレッドを例証する)流体レベルを推論するために使用することができることを例証する。プローブが流体レベルに近いことを単に検出する代わりに、流体レベルの絶対的な高さは、正規化されたデータのこのプロットを使用して決定することができる。これにより、制御システムが取得されるさらなる試料に対して、流体レベルが非常に低くなる場合を検出することができ、かつ吸引がキュベットに対して繰り返されようとする場合、キュベットの底部に非常に近いプローブを駆動することを回避することができる。あるいは、位置情報(利用できる場合)は、位置が所定位置の閾値に達し、キュベットの底部に非常に近いプローブを駆動することを回避する場合、プローブを停止するための別々または追加のチェックとして使用することができる。
図10は、本開示のいくつかの実施形態による、容器に向かうプローブを移動させる制御システムによって、使用可能な方法の例示的な流れ図を示す。例示的な方法1000は、容量測定値および任意選択的に位置情報を考慮に入れながら、容器の流体表面に向かってプローブを移動させるための機構を提供する。この方法は、プローブが可能な限り急速に流体表面に向かって移動することができるが、プローブが流体表面に近づくと、プローブを減速させる。この方法はまた、プローブが流体表面に達するか、または流体表面の下の所定距離に到達すると、プローブを停止する。
図12A〜Bは、本開示のいくつかの実施形態による、容量を測定するために制御システムで使用可能な、2つの例示的な容量デジタルコンバータ(CDC)を示す。図12Aにおいて、示されるシステムは、検知されているコンデンサの両方の端子/プレートが接地から分離される浮動容量センサを使用するCDCの例示的なブロック図に対応する。図12Bにおいて、示されるシステムは、検知されているコンデンサの1つの端子/プレートが接地に接続されるシングルエンド型または差動容量型センサを使用するCDCの例示的なブロック図に対応する。
上記本実施形態の考察において、コンデンサ、クロック、DFF、除算器、誘導器、抵抗器、増幅器、スイッチ、デジタルコア、トランジスタ、および/または他の構成部品は、容易に交換できるか、取り換えることができるか、あるいは別の方法で、特定の回路ニーズに適応するために修正することができる。さらに、相補型電子デバイス、ハードウェア、ソフトウェアなどの使用が、本開示の教示を実施するための同等に実行可能な選択肢を与えることに留意されたい。
実施例1は、流体を中に有する容器に向かうプローブの移動を制御する方法であって、容量センサからプローブと容器の下の導電プレートとの間の容量を示す第1の容量測定値を受信することと、第1の容量測定値に基づいて決定される第1の速度で、容器に向かってプローブを移動させるための運動制御エンジンに第1の信号を送信することと、を含む、方法である。
Claims (20)
- 流体を中に有する容器に向かうプローブの移動を制御するための方法であって、
容量センサから、前記プローブと前記容器の下の導電プレートとの間の容量を示す第1の容量測定値を受信することと、
前記第1の容量測定値に基づいて決定される第1の速度で、前記容器に向かって前記プローブを移動させるための運動制御エンジンに第1の信号を送信することと、を含む、方法。 - 運動制御エンジンから、前記導電プレートに対する前記プローブの位置を示す第1の位置情報を受信することをさらに含み、
前記第1の速度が、前記第1の位置情報にさらに基づいて決定される、請求項1に記載の方法。 - 前記第1の容量測定値が所定の容量閾値を超える場合、前記第1の速度がゼロであり、前記容器に向かう前記プローブの移動を停止する、請求項1に記載の方法。
- 前記所定の容量閾値が、前記プローブが前記容器中の前記流体の表面に達した可能性があることを示す、請求項1に記載の方法。
- 前記容量センサから、それぞれが前記プローブと前記容器の下の導電プレートとの間に形成される前記容量を示す、第2の容量測定値および第3の容量測定値を受信することと、
前記第2の容量測定値と前記第3の容量測定値との間の容量の変化を決定して、位置情報の変化に対する容量の変化を示す勾配を推定することと、
前記容量の変化に基づいて決定される第2の速度で、前記容器に向かって前記プローブを移動させるための前記運動制御エンジンに第2の信号を送信することと、をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記容量の変化が所定の勾配閾値を超えて、前記プローブの移動を減速させる場合、前記第2の速度が前記第1の速度未満である、請求項5に記載の方法。
- 前記所定の勾配閾値が、前記プローブが前記容器中の前記流体の表面近くに到達していることを示す、請求項6に記載の方法。
- 前記容量センサが、前記プローブと、空気、前記容器中の前記流体、および前記容器を含む誘電体混合物を有する前記導電プレートとの間の前記容量を測定するように構成される、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の容量測定値が、前記空の容器に向かう前記プローブの移動から得られる容量測定値に対する位置情報を含む測定データを表すべき級数関数に基づいて正規化される、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の容量測定値および前記第3の容量測定値が、前記空の容器に向かう前記プローブの移動から得られる容量測定値に対する位置情報を含む測定データを表すべき級数関数に基づいて正規化される、請求項5に記載の方法。
- 前記容量センサが、励起源を前記プローブに提供し、かつ前記導電プレートから前記第1の容量測定値を読み取ることによって、前記第1の容量測定値を受け取るように構成される、請求項1に記載の方法。
- 前記容量センサが、励起源を前記導電プレートに提供し、かつ前記導電プレートから前記第1の容量測定値を読み取ることによって、前記第1の容量測定値を受け取るように構成される、請求項1に記載の方法。
- 前記容量センサが、前記導電プレートを接地し、励起源を前記プローブに提供し、かつ前記プローブから前記第1の容量測定値を読み取ることによって、前記第1の容量測定値を受け取るように構成される、請求項1に記載の方法。
- 流体を中に有する容器に向かうプローブの移動を制御するためのシステムであって、
容量センサからの測定値をデジタル信号に変換するための容量デジタルコンバータと、
前記容器に向かって前記プローブを移動させるための運動制御エンジンと、
前記容量デジタルコンバータの出力に連結されたアプローチエンジンと、を備え、前記容量デジタルコンバータが、
前記容量センサから、前記プローブと前記容器の下の導電プレートとの間の容量を示す第1の容量測定値を受信し、かつ
前記第1の容量測定値に基づいて決定される第1の速度で、前記容器に向かって前記プローブを移動させるための前記運動制御エンジンに第1の信号を送信するように構成される、システム。 - 前記第1の容量測定値が所定の容量閾値を超える場合、前記第1の速度がゼロであり、前記容器に向かう前記プローブの移動を停止する、請求項14に記載のシステム。
- 前記アプローチエンジンが、
前記容量センサから、それぞれが前記プローブと前記容器の下の導電プレートとの間に形成される前記容量を示す、第2の容量測定値および第3の容量測定値を受信し、
前記第2の容量測定値と前記第3の容量測定値との間の容量の変化を決定して、位置情報の変化に対する容量の変化を示す勾配を推定し、かつ
前記容量の変化に基づいて決定される第2の速度で、前記容器に向かって前記プローブを移動させるための前記運動制御エンジンに第2の信号を送信するようにさらに構成される、請求項14に記載のシステム。 - 前記第1の容量測定値が、前記空の容器に向かう前記プローブの移動から得られる容量測定値に対する位置情報を含む測定データを表すべき級数関数に基づいて正規化される、請求項14に記載のシステム。
- 流体を中に有する容器に向かうプローブの移動を制御するために命令が記憶された非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、少なくとも1つのプロセッサによって実行される場合、前記命令が、前記少なくとも1つのプロセッサに、
容量センサから、前記プローブと前記容器の下の導電プレートとの間の容量を示す第1の容量測定値を受信する動作と、
前記第1の容量測定値に基づいて決定される第1の速度で、前記容器に向かって前記プローブを移動させるための前記運動制御エンジンに第1の信号を送信する動作と、を実施させる、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。 - 前記第1の容量測定値が所定の容量閾値を超える場合、前記第1の速度がゼロであり、前記容器に向かう前記プローブの移動を停止する、請求項18に記載の媒体。
- 前記少なくとも1つのプロセッサが、
前記容量センサから、それぞれが前記プローブと前記容器の下の導電プレートとの間に形成される前記容量を示す、第2の容量測定値および第3の容量測定値を受信する動作と、
前記第2の容量測定値と前記第3の容量測定値との間の容量の変化を決定して、位置情報の変化に対する容量の変化を示す勾配を推定する動作と、
前記容量の変化に基づいて決定される第2の速度で、前記容器に向かって前記プローブを移動させるための前記運動制御エンジンに第2の信号を送信する動作と、を実施するようにさらに構成される、請求項18に記載の媒体。
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