JP2005147780A - 液面レベルセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で、液面レベルを精度良く測定することができる液面レベルセンサを提供することである。
【解決手段】 液面レベルセンサは、容器内に取り付けられるセンサ部２と、測定回路とを備えている。センサ部２は、交流信号を入力する駆動電極８と、測定電極７と、参照電極９とを有し、参照電極９は、下端付近の参照用測定部１０と、参照用測定部１０よりも幅が狭い信号導通部１１とを有している。参照用測定部１０から駆動電極８までの距離は、信号導通部１１から駆動電極８までの距離よりも短い。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液面レベルを測定する液面レベルセンサに関する。

液体を入れる容器には、液面レベルを測定する液面レベルセンサを備えるものがある。液面レベルセンサとしては、例えば、フロート式のセンサや、超音波を用いたセンサ、静電容量を測定するセンサが知られている。
ここで、容器が、例えば、高さ２０ｍｍ、直径２０ｍｍのように小型である場合には、フロート式のセンサでは、フロートを小さくせざるを得ないので、フロート自体の浮力が小さくなりすぎる。このため、可変抵抗器や、光学素子、磁気素子など、フロートに連動する位置検出素子を支えきれないという問題を有する。また、小型の容器では、容積が小さいために、液面レベルの絶対値が小さくなり、例えば、高さ方向でプラスマイナス０．５ｍｍ程度といった高い測定精度が要求されるようになる。このような特殊性を有する小型な容器に、超音波を用いたセンサを適用すると、超音波を送受信する距離を十分に確保できないので、測定精度が低くなってしまい、液面レベルを精度良く測定することができない。

これに対して、静電容量式のセンサは、フロート式のセンサよりも小型にすることができ、超音波を用いたセンサよりも高精度に液面レベルを測定することができる。
静電容量を測定するセンサは、一部が液体内に浸漬される一対の測定用電極を、容器の鉛直方向に沿って配置した構成を有している。ここで、液体中の誘電率は、空気中の誘電率よりも大きいので、一対の参照用電極のうち、液体に浸漬されている部分の静電容量は大きくなる。したがって、液面レベルが高いほど、静電容量が大きくなるので、静電容量を測定すれば、液面レベルを測定することができる。さらに、従来の液面レベルセンサには、一対の参照用電極を、容器の底部付近に配置したものがある。この参照用電極は、全体が液体に浸漬され、その静電容量からは、その温度における液体の誘電率を演算することができる。そして、この誘電率を用いて測定用電極間の静電容量を測定すれば、測定精度を向上できる（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１０８７３５号公報

しかしながら、従来の液面レベルセンサは、一対の測定用電極と、一対の参照用電極とで、合計４つの電極を有するので、センサの小型化に限界があり、さらに小型化できるセンサの開発が望まれていた。さらに、液面レベルセンサを小型化すると、測定用電極と参照用電極とが近接するので、誤差が発生しやすくなる。また、参照用電極を容器の底部付近に配置するためには、長い配線が必要になるが、このような配線がコンデンサとなるので、浮遊容量が増加し、測定の精度を低下させてしまう。
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液面レベルセンサを小型化することである。また、他の目的は、液面レベルを精度良く測定できるようにすることである。

本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の液面レベルセンサは、液体が収容される容器内に配置され、所定の交流信号が入力される測定信号供給電極と、前記測定信号供給電極に入力される交流信号に基づいて、基準位置から液面までの距離に応じた信号を発生する測定電極と、前記測定信号供給電極に入力される交流信号に基づいて、液体の電気特性の参照値を測定する参照電極とを有し、前記測定電極と前記参照電極とを、前記測定信号供給電極から所定の間隔をおいて配置したことを特徴とする。
このような液面レベルセンサでは、測定電極と参照電極とが、１つの測定信号供給電極を共有する。測定信号供給電極に交流信号が入力されると、測定電極及び参照電極に、それぞれ所定の受信信号が発生する。この受信信号の強度の差や、比を演算すると、基準位置から液面までの距離が得られる。

上記の液面レベルセンサにおいては、前記測定信号供給電極、前記測定電極、前記参照電極のそれぞれの先端位置を揃えることが好ましい。
このような液面レベルセンサでは、各電極の下端が同じ高さになることで、より深い位置から液面レベルを測定することが可能になる。

上記の液面レベルセンサにおいては、前記参照電極と前記測定信号供給電極との電極間距離は、前記測定電極と前記測定信号供給電極との電極間距離に等しいことが好ましい。
このような液面レベルセンサでは、測定信号供給電極に対して、測定電極と、参照電極とが、それぞれ等距離に配置されるので、測定信号供給電極に入力された信号を両電極に対して略均等に伝播させることができる。

上記の液面レベルセンサにおいては、前記参照電極は、その下端側に前記参照値を測定する参照用測定部を備え、前記参照用測定部からは信号導通部を延設させてあり、前記信号導通部は、前記参照用測定部よりも幅が狭いことが好ましい。
このような液面レベルセンサでは、参照値を測定する参照用測定部を下方に配置しているので、液面レベルが低い場合でも、参照値を確実に測定できる。さらに、信号導通部の幅が狭くなっているので、液面が高く、かつ参照電極が上方まで浸漬する場合でも、参照値の変化は極めて小さくなる。

上記の液面レベルセンサにおいては、前記信号導通部から前記測定信号供給電極までの距離は、前記参照用測定部から前記測定信号供給電極までの距離よりも長いことが好ましい。
このような液面レベルセンサでは、信号導通部が測定信号供給電極から離れた位置に配置されているので、信号導通部に信号が伝播し難くなる。

上記の液面レベルセンサにおいては、前記測定電極及び前記測定信号供給電極並びに前記参照電極が、互いに近接して配置され、かつ各電極が長尺型の絶縁フィルムで覆われた長尺フィルム型とされてなることが好ましい。
このような液面レベルセンサでは、導電性の各電極と液体との接触を防止できる。また、長尺フィルム型であるため、取り扱いが容易になるし、電極間距離を確実に固定できる。

この発明によれば、測定電極と参照電極とが、１つの測定信号供給電極を共有し、測定信号供給電極に入力した信号に応じて、それぞれの電極で受信信号が発生するようにしたので、液面レベルセンサが簡単な構成になり、小型化が可能になる。また、各電極の液体に浸漬される部分を、フィルムで覆った構成にすると、取り扱いが容易になる。
さらに、測定信号供給電極と、測定電極と、参照電極とのそれぞれの先端を同じ高さにすると、液量が少ないときでも液面レベルを測定できるようになる。
そして、測定信号供給電極に対する電極間距離を等しくすると、信号の伝播が均等になり、測定誤差の発生を低減できるので、測定精度を向上できる。また、参照電極の信号導通部を、測定信号供給電極から遠い位置に配置すると、さらに測定誤差の発生を低減できる。

発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に第１の実施の形態における液面レベルセンサの構成を示す。液面レベルセンサは、容器１内に固定されるセンサ部２と、センサ部２に電気的に接続される測定回路３とを有している。

図２に示すように、センサ部２は、細長のフィルム形状を有し、フィルム４上に各々線状の測定電極７と、駆動電極（測定信号供給電極）８と、参照電極９とを配設し、各電極７，８，９を覆うように、フィルム４上にフィルム５を積層した構成を有している。フィルム５は、フィルム４よりも長さが短く、図２において上側に位置するセンサ部２の基端２ａ側では、電極７，８，９が所定の長さで露出している。なお、フィルム４，５は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や、ポリエステル、ナイロン、液晶ポリマなど、吸水率の低い絶縁部材で製造されている。

測定電極７、駆動電極８、及び参照電極９は、フィルム４の幅方向に沿って順番に、各々離間して配列されている。各電極７，８，９は、例えば、銅などの導電性材料が貼り付けられたフィルム４において、導電性材料を部分的にエッチングして形成する。
駆動電極８は、所定の線幅及び厚さでフィルム４上に設けられている。図１に示すように、この駆動電極８は、センサ部２の基端２ａ側において、測定回路３に接続されており、所定の駆動用の交流信号が入力される。また、駆動電極８の下端（先端）８ａは、フィルム４の先端４ａよりも、所定の距離ｒ１だけ上方に位置している。
測定電極７は、フィルム４上において、駆動電極８から所定距離をおいた位置に、駆動電極８と略平行に設けられている。測定電極７の線幅及び厚さは、駆動電極８と同じである。測定電極７は、センサ部２の基端２ａ側において、一部が露出し、測定回路３に接続される。また、測定電極７の下端（先端）７ａは、フィルム４の先端４ａよりも、所定の距離ｒ１だけ上方に位置している。
この測定電極７と駆動電極８とは、容量素子を形成する。その静電容量は、測定電極７及び駆動電極８の表面積と、電極間距離と、誘電率とで定まる。誘電率は、空気の誘電率に対して液体の誘電率が十分に大きい。したがって、測定電極７及び駆動電極８との間の静電容量は、液面に浸漬している表面積、つまり各電極７，８の下端７ａ，８ａから液面レベルまでの長さに略比例する。

参照電極９は、駆動電極８から所定距離をおいた位置に、駆動電極８と略平行に設けられている。この参照電極９は、下端（先端）９ａ側の参照用測定部１０と、参照用測定部１０から上方に向かって延出された信号導通部１１と、センサ部２の基端２ａ側で露出する回路接続部１２とからなる。
参照用測定部１０の先端１０ａは、フィルム４の先端４ａよりも、所定の距離ｒ１だけ上方に位置している。さらに、参照用測定部１０の基端１０ｂは、フィルム４の先端４ａよりも、所定の距離ｒ２だけ上方に位置している。この距離ｒ２は、液面レベルを測定するときの基準位置ｈ０になる。また、参照用測定部１０の幅及び厚さは、駆動電極８と同じである。
回路接続部１２の長さは、フィルム４の上端からフィルム５の上端までの長さに略等しい。また、回路接続部１２の幅及び厚さは、駆動電極８と同じである。
信号導通部１１は、参照用測定部１０の幅方向の略中心から、回路接続部１２に向かって上向きに延出し、参照用測定部１０と回路接続部１２とを電気的に接続している。信号導通部１１の厚さは、参照用測定部１０及び回路接続部１２と同じであるが、その幅は、参照用測定部１０及び回路接続部１２よりも狭い。

この参照電極９の参照用測定部１０と駆動電極８とは、容量素子を形成する。その静電容量は、参照用測定部１０及び駆動電極８の表面積と、電極間距離と、誘電率とで定まる。参照用測定部１０と駆動電極８との電極間距離は、駆動電極８と測定電極７との電極間距離に略等しい。電極８，１０の表面積は、液体に浸漬する長さに比例する。そして、参照用測定部１０と駆動電極８との間の静電容量（誘電率）の値が、液面レベルを測定する際の参照値になる。
なお、信号導通部１１から駆動電極８までの距離は、参照用測定部１０から駆動電極８までの距離よりも長い。つまり、駆動電極８に交流信号が入力された場合には、信号導通部１１よりも参照用測定部１０に信号が伝播しやすくなっている。

そして、このように構成されたセンサ部２において、基端側に露出する電極７，８，９には、測定回路３が接続される。

図１に示すように、測定回路３は、例えば、方形の交流信号を生成する発振回路３１を有している。この発振回路３１は、３つのインバータ３２，３３，３４からなる直列回路と、この直列回路の入力端及び出力端に接続された抵抗３５と、インバータ３２の入力端及びインバータ３３の出力端に接続されたコンデンサ３６とを有している。そして、直列回路の出力端は、センサ部２の駆動電極８に接続されている。
また、測定回路３は、測定電極７に一端が接続された抵抗３７及びアナログスイッチ３８を有している。さらに、測定回路３は、参照電極９に一端が接続された抵抗３９及びアナログスイッチ４０を有している。抵抗３７，３９のそれぞれの他端は、接地されている。アナログスイッチ３８，４０は、ローパスフィルタ４１に接続されている。また、各アナログスイッチ３８，４０のコントロール端子は、発振回路３１に接続されており、発振回路３１の出力波形に応じて、スイッチのＯＮ又はＯＦＦが切り替えられる。

ローパスフィルタ４１は、アナログスイッチ３８に一端が接続されたコンデンサ４２と、抵抗４３とを有し、抵抗４３の他端にはコンデンサ４４と、抵抗４５と、コンデンサ４６とが接続されている。さらに、ローパスフィルタ４１は、アナログスイッチ４０に一端が接続されたコンデンサ４７と、抵抗４８とを有し、抵抗４８の他端にはコンデンサ４９と、抵抗５０と、コンデンサ４６とが接続されている。そして、このローパスフィルタ４１の出力は、差動増幅回路５１に接続されている。なお、コンデンサ４２，４７、コンデンサ４４，４９、抵抗４５，５０は、それぞれの他端は接地されている。コンデンサ４６は、抵抗４３と抵抗４８のそれぞれの他端に介装されている。

差動増幅回路５１は、主に、３つのオペアンプ５２，５３，５４から構成されている。オペアンプ５２の非反転入力端子には、ローパスフィルタ４１の測定電極７側の出力が接続される。このオペアンプ５２の出力端子と反転入力端子とは、抵抗５５を介して接続されており、負帰還ループが形成されている。さらに、オペアンプ５２の出力端子は、抵抗５６を介してオペアンプ５４の反転入力端子に接続されている。また、オペアンプ５２の反転入力端子は、抵抗５７及び可変抵抗５８を介して、オペアンプ５３の反転入力端子に接続されている。
オペアンプ５３の非反転入力端子には、ローパスフィルタ４１の参照電極９側の出力が接続される。このオペアンプ５３の出力端子と反転入力端子との間にも抵抗５９が介装されている。さらに、オペアンプ５３の出力端子は、抵抗６０と抵抗６１のそれぞれに接続されている。抵抗６０は接地されており、抵抗６１はオペアンプ５４の非反転入力端子に接続されている。

オペアンプ５４の出力端子には、抵抗６２の一端が接続されている。この抵抗６２は、他の制御回路に接続されており、ここから基準位置ｈ０から液面までの距離（液面レベル）に応じた信号が出力される。なお、この抵抗６２の他端とオペアンプ５４の反転入力端子との間には、抵抗６３とコンデンサ６４とが並列に接続されている。

次に、この液面レベルセンサの動作について説明する。なお、図１に示す容器１の内面には、センサ部２が固定されているものとする。ここにおいて、センサ部２は、各電極７，８，９の長さ方向と、容器１の鉛直方向とを一致させてあり、センサ部２の先端と容器１の底面とが接触させてあることが望ましい。

まず、容器１には、液体が図２に示す基準位置ｈ０まで入っているものとする。この状態で、発振回路３１が駆動用の交流信号を生成し、駆動電極８に入力する。交流信号は、駆動電極８から、空気及び液体を媒体として、測定電極７、参照用測定部１０に伝播する。なお、参照電極９の信号導通部１１は、駆動電極８から離れた位置にある。さらに、この液面レベルでは、駆動電極８と信号導通部１１との間の誘電体は空気である。したがって、信号導通部１１に伝播される信号は極めて少ない。
測定電極７には、信号の伝播により、液体の誘電率に基づく静電容量、つまり液面レベルに応じた受信電圧（受信信号）が発生する。この受信電圧が測定回路３のアナログスイッチ３８に入力される。また、参照用測定部１０には、信号の伝播により、液体の誘電率に基づく静電容量に応じた受信電圧（受信信号）が発生する。この受信電圧が、信号導通部１１及び回路接続部１２を通って、測定回路３のアナログスイッチ４０に入力される。

ここで、アナログスイッチ３８，４０は、発振回路３１の駆動交流に応じて、スイッチの断続を切り替えるので、測定電極７の受信電圧と、参照電極９の受信電圧とが同期検波される。アナログスイッチ３８，４０で同期検波された各受信電圧は、ローパスフィルタ４１に入力され、余分な交流成分が取り除かれ、直流成分が取り出される。さらに、差動増幅回路５１に入力され、増幅された後に、測定電極７の受信電圧から、参照値となる参照電極９の受信電圧を減じた差が出力される。

さらに、容器１内の液体の量が増えて、液面が基準位置ｈ０を超えて上昇すると、駆動電極８と測定電極７との間の静電容量は、液面レベルに略比例して増加する。これに対して、参照用測定部１０と駆動電極８との間の静電容量はほとんど変化しない。
なお、駆動電極８から信号導通部１１まで距離は長く、信号導通部１１の幅が狭いことから、信号導通部１１に伝播する信号は少ない。しかしながら、センサ部２のレイアウトによっては、信号導通部１１と駆動電極８との間に静電的な結合が発生することがある。このような場合に、液面レベルが上昇すると、信号導通部１１と駆動電極８との間の静電容量は増加する。したがって、その場合の静電容量は、参照電極９全体としてみたときに、液面レベルの上昇に伴って、わずかに増加する。このように、液面レベルの上昇に伴って、参照電極９側の静電容量が増加するときであっても、測定電極７側の静電容量ほどには増加しない。したがって、測定回路３で差動増幅させて得られるセンサ出力は、液面レベルが上昇するにつれて、大きくなる。

また、基準位置ｈ０以上の領域では、液面レベルが下降すると、駆動電極８と測定電極７との間の静電容量は、減少する。これに対して、参照電極９と駆動電極８との間の静電容量は、殆ど変化しないか、液面レベルの下降に伴って、減少する。したがって、測定回路３で差動増幅させて得られるセンサ出力は、液面レベルが下降するにつれて、小さくなる。
このように、センサ出力は、液面レベルに略比例した大きさの信号になる。したがって、信号の大きさから液面レベルの絶対値がわかる。

図２に示す構成の液面レベルセンサを用いて実測した液面レベルと、静電容量との関係の一測定例を図３に示す。測定に使用したセンサ部２は、液晶ポリマ製のフィルム４，５を用い、その幅を約１１ｍｍ、長さは５０ｍｍとした。各電極７，８，９は、銅製で、厚さを１２５μｍとした。測定電極７、駆動電極８、参照用測定部１０及び回路接続部１２は、幅を各約２ｍｍとした。信号導通部１１は、幅を約０．１ｍｍとした。また、参照用測定部１０の長さを３ｍｍとした。そして、駆動電極８及び測定電極７並びに参照電極９の下端７ａ，８ａ，９ａからフィルム４の先端４ａまでの距離を約０．５ｍｍとした。
そして、以上の構成の液面レベルセンサを、容器１内の純水の液面レベルを測定した。なお、センサ部２の先端２ｂを容器１の底面に位置させ、センサ部２の基端２ａを容器１上部側に向けて、ほぼ鉛直に容器１内面に取り付けて測定した。

図４において、縦軸は静電容量であり、横軸は液面レベルである。液面レベルは、−１０ｍｍのときが、容器が空の状態を示し、０ｍｍのときが、図２に示す基準位置ｈ０に相当する高さに液面があることを示す。また、ラインＬ１は、駆動電極８と測定電極７との間の静電容量の変化を示す。ラインＬ２は、駆動電極８と参照電極９の参照用測定部１０との間の静電容量の変化を示す。
ラインＬ１に示すように、駆動電極８と測定電極７との間の静電容量は、０ｍｍから５５ｍｍまで、液面レベルの増加に略比例して増加している。また、ラインＬ２に示すように、駆動電極８と参照電極９との間の静電容量も、液面レベルの増加に略比例して増加している。しかしながら、ラインＬ２の勾配は、ラインＬ１の比例勾配に比べて小さい。したがって、測定電極７側の静電容量と、参照電極９側の静電容量の比から液面レベルを精度良く測定できる。なお、０ｍｍにおいて、静電容量の値が略等しいのは、測定電極７及び参照電極９が、駆動電極８からそれぞれ等距離に配置されているからである。

この実施の形態によれば、測定電極７と参照電極９とが、駆動電極８を共有し、３本の電極で液面レベルを測定するので、液面レベルセンサの小型化が可能である。
また、電極７，８，９を吸水率の小さいフィルム４，５で、覆ったので、電極７，８，９と液体との接触を防止できる。
駆動電極８から測定電極７までの距離と、駆動電極８から参照用測定部１０までの距離とを略同一にしたので、駆動電極８に付加した交流信号を略均等に伝播させることができ、測定誤差の発生を防止できる。
さらに、測定電極７、駆動電極８、参照用測定部１０のそれぞれの下端の位置を、同じ高さに設定したので、液面レベルが浅いところからの測定が可能になる。ここで、液面レベルは、基準位置ｈ０からの距離として求められるが、基準位置ｈ０は液面レベルセンサの容器１への取り付け位置が決まれば既知の値になるので、容器１の底面から液面までの絶対値を簡単に求めることができる。
信号導通部１１を、駆動電極８からみて参照用測定部１０よりも遠い位置に配置し、かつ信号導通部１１の幅を狭くしたので、基準位置ｈ０よりも液面レベルが高いときの参照電極９側の静電的な結合を抑えることができるので、液面レベルの測定精度を向上できる。

また、この液面レベルセンサの適用例としては、ＰＤＡ（電子手帳）、コンピュータ、携帯電話などの携帯端末装置の電源、又は車両の駆動源として開発されている燃料電池において、燃料を貯蔵する容器や、廃液を貯蔵する容器の貯蔵量（残量）を検出するために適用することができる。参照電極９で測定するレファレンス用の静電容量を精度良く測定できるので、純粋なメタノールや、蟻酸とホルムアルデヒドの混合液など、誘電率の異なる液体であっても確実に液面レベルを検出することができる。また、この液面レベルセンサは、洗濯機や、食器洗い機、電気ポット、浴槽など、容器内に水などの液体が貯蔵されるものに適用しても良い。

次に、この発明の第２の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第１の実施の形態と同一の構成要素には同じ符号を付している。また、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。
図４に示すように、この実施の形態における液面レベルセンサは、測定回路３（図１参照）に接続されるセンサ部７２が、駆動電極８１と、測定電極８０と、参照電極８３とを有し、参照電極８３の一部が、シールドされていることを特徴とする。ここで、測定電極８０、駆動電極８１は、前記の第１の実施の形態における測定電極７、駆動電極８にそれぞれ相当する。

図４及び図５に示すように、センサ部７２は、細長のフィルム形状を有し、長手方向の一方の基端７２ａが測定回路３（図１参照）に接続され、先端７２ｂが容器１の底面近傍に位置するように固定される。さらに、基端７２ａから先端７２ｂに向かう間で、センサ部７２は、その幅が広がっている。この拡幅部分７３から先を、液体内に浸漬することが好ましい。
センサ部７２は、カバーフィルム７４と、第一絶縁フィルム７５と、第二絶縁フィルム７６と、カバーフィルム７７とを、この順番に積層させてある。各フィルム７４，７５，７６，７７は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や、ポリエステル、ナイロン、液晶ポリマなど、吸水率の低い絶縁部材で製造されている。

一側の最外層にあたるカバーフィルム７４上には、カバーフィルム７４の半分程の幅のシールド層７８がシート状に設けられている。第一絶縁フィルム７５は、カバーフィルム７４と共にシールド層７８を挟むようにカバーフィルム７４上に密着されている。この第一絶縁フィルム７５には、各々線状の測定電極８０と、駆動電極（測定信号供給電極）８１と、第一シールド電極８２と、参照電極８３と、第二シールド電極８４とが、第一絶縁フィルム７５の長手方向に沿って、各々が離間して略並列に配設されている。第二絶縁フィルム７６は、第一絶縁フィルム７５と共に各電極８０，８１，８２，８３，８４を挟むように、第一絶縁フィルム７５上に密着される。この第二絶縁フィルム７６上には、第二絶縁フィルム７６の半分程の幅のシールド層７９がシート状に設けられている。そして、カバーフィルム７７は、第二絶縁フィルム７６と共にシールド層７９を挟むように、第二絶縁フィルム７６上に密着される。
なお、図４に示すように、第二絶縁フィルム７６及びカバーフィルム７７は、カバーフィルム７４及び第一絶縁フィルム７５よりも短くなっており、センサ部７２の基端７２ａ側は、各電極８０，８１，８２，８３，８４が所定の長さで露出している。

図４及び図５に示すように、駆動電極８１は、一定の線幅及び厚さで第一絶縁フィルム７５の面８７上に、基端から先端の近傍まで設けられている。駆動電極８１の下端（先端）８１ａは、第一絶縁フィルム７５の先端７５ａよりも、所定の距離ｒ１だけ上方に位置している。
測定電極８０は、面８７上において、駆動電極８１から所定距離をおいた位置に設けられている。測定電極８０の線幅及び厚さは、駆動電極８１と同じである。測定電極８０の下端（先端）８０ａは、第一絶縁フィルム７５の先端７５ａよりも、所定の距離ｒ１だけ上方に位置している。この測定電極８０は、駆動電極８１と共に、容量素子を形成する。

また、第一シールド電極８２は、面８７上において、駆動電極８１に対して測定電極８０と略対称な位置に設けられている。つまり、駆動電極８１から測定電極８０までの距離と、駆動電極８１から第一シールド電極８２までの距離は、略同一である。第一シールド電極８２は、センサ部７２の基端７２ａ側において接地される。また、第一シールド電極８２の下端（先端）８２ａは、第一絶縁フィルム７５の先端７５ａよりも、所定の距離ｒ２だけ上方に位置している。なお、距離ｒ２は、距離ｒ１よりも大きい。
参照電極８３は、面８７上において、駆動電極８１から、さらに離間した位置に配置されている。参照電極８３の幅及び厚さは、駆動電極８１と等しい。参照電極８３は、センサ部７２の基端７２ａ側において測定回路３に接続される。また、参照電極８３の下端（先端）８３ａは、第一絶縁フィルム７５の先端７５ａよりも、所定距離ｒ１だけ上方に位置している。
第二シールド電極８４は、面８７上において、第一シールド電極８２と共に参照電極８３を挟むように配置されている。つまり、参照電極８３から第二シールド電極８４までの距離は、参照電極８３から第一シールド電極８２までの距離の略等しい。第二シールド電極８４は、センサ部７２の基端７２ａ側において接地される。また、第二シールド電極８４の下端（先端）８４ａは、第一絶縁フィルム７５の先端７５ａよりも、所定の距離ｒ２だけ上方に位置している。

さらに、シールド層７８は、シールド電極８２，８４及びシールド層７９に重なる位置に設けられている。具体的には、シールド層７８の幅は、シールド電極８２，８４の電極間距離に、各シールド電極８２，８４の幅を加えた値に略等しい。また、シールド層７８の下端（先端）は、シールド電極８２，８４と同様に、第一絶縁フィルム７５及び第二絶縁フィルム７６の先端よりも、所定の距離ｒ２だけ上方に位置する。ここで、シールド層７８は、導電性材料からなる。そして、第一絶縁フィルム７５に形成された導電スルーホール部８８を介して、第二シールド電極８４と電気的に接続されている。なお、導電スルーホール部８８は、例えば、第一絶縁フィルム７５に形成したスルーホールに導電性材料をメッキして形成する。

シールド層７９は、導電性材料からなり、シールド層７８と同じ形状を有している。シールド層７９は、第二絶縁フィルム７６が第一絶縁フィルム７５の面８７と密着する面と反対側の面８９に形成されている。その下端（先端）は、シールド電極８２，８３及びシールド層７８と同じ位置にある。さらに、このシールド層７９は、第二絶縁フィルム７６に形成された導電スルーホール部９０を介して、第二シールド電極８４と電気的に接続されている。
シールド層７８とシールド層７９とは、第一絶縁フィルム７５及び第二絶縁フィルム７６を介して、参照電極８３及びシールド電極８２，８４を挟む位置に設けられている。したがって、一対のシールド電極８２，８４と一対のシールド層７８，７９は、参照電極８３を囲むように配置され、かつ電気的に接続される。シールド電極８２，８４は、前記のように接地されるので、一対のシールド電極８２，８４と一対のシールド層７８，７９は、参照電極８３の電磁的なシールドとなる。

そして、参照電極８３の下端８３ａ近傍で、シールドから突出する部分が、参照用測定部９５となり、シールドされている部分が信号導通部９６になる。参照用測定部９５は、駆動電極８１と、容量素子を形成する。その静電容量は、参照用測定部９５及び駆動電極８１の表面積と、電極間距離と、誘電率とで定まる。参照用測定部９５の長さは、所定の距離ｒ２から所定の距離ｒ１を引いた長さである。そして、信号導通部９６は、その上端が測定回路３に接続され、参照用測定部９５で発生する所定の信号を測定回路３に入力する役割を担う。

なお、各電極８０，８１，８２，８３，８４と、シールド層７８，７９とは、所定の厚さの導電性材料が貼り付けられたフィルム７４，７５，７６において、導電性材料を部分的にエッチングして形成されている。また、センサ部７２の拡幅部分７３では、各電極８０，８１，８２，８３，８４の配置間隔も、第一シールド電極８２を中心にして長くなっている。

次に、この液面レベルセンサの動作について説明する。なお、センサ部７２の配置は、第一の実施の形態と同様である。
まず、図１に示すような容器１に、基準位置ｈ０まで液体が入ってときには、駆動電極８１から、空気及び液体を媒体として、交流信号が測定電極８０、第一シールド電極８２、シールド層７８，７９、参照用測定部９５に伝播する。なお、シールド電極８２，８４及びシールド層７８，７９がアースされているので、参照電極８３のうち、信号導通部９６には、信号は伝播されない。
そして、測定電極８０の受信電圧は、液面レベルに応じて変化する信号として、測定回路３のアナログスイッチ３８に入力される。また、参照用測定部９５の受信電圧は、静電容量（誘電率）の参照値に関する信号として、測定回路３のアナログスイッチ４０に入力される。測定回路３では、前記のように信号処理が行われ、液面レベルに応じた信号が出力される。なお、測定電極８０と駆動電極８１との液体に浸漬している部分の間の誘電率と、測定電極８０と参照電極８３の参照用測定部９５の間の誘電率とは、同じ値である。

さらに、容器１内の液体の量が増えて、液面が基準位置ｈ０を超えて上昇すると、駆動電極８１と測定電極８０との間の静電容量は、液面レベルに略比例して増加する。これに対して、参照電極８３は、基準位置ｈ０を越える部分がシールド電極８２，８４及びシールド層７８，７９にシールドされているので、基準位置ｈ０に相当する静電容量から変化しない。
前記のように、センサ出力は、測定電極８０側の静電容量に基づく信号と、参照電極８３側の静電容量に基づく信号の差に比例する。したがって、液面レベルが上昇すると、これに比例して増加する。

また、基準位置ｈ０以上の領域では、センサ出力は、液面レベルが下降すると、これに比例して減少する。
このように、センサ出力は、参照用測定部９５の受信電圧を基準として、液面レベルに略比例した大きさの信号になる。したがって、信号の大きさから液面レベルの絶対値がわかる。

図４に示す構成の液面レベルセンサを用いて実測した液面レベルと、静電容量との関係の一測定例を、図６に示す。測定に使用したセンサ部２は、液晶ポリマ製のフィルム７４，７５，７６，７７を用い、その厚さは２５μｍ、幅は約１１ｍｍ、長さは５０ｍｍとした。各電極８０，８１，８２，８３，８４は、銅製で、幅を約１ｍｍ、厚さを１２５μｍとした。また、駆動電極８１の中心と測定電極８０の中心との間の距離を約１．８ｍｍとし、駆動電極８１の中心と第一シールド電極８２の中心との間の距離を約１．８ｍｍとした。さらに、駆動電極８１の中心と参照電極８３の中心との間の距離を約３．６ｍｍとした。参照電極８３がシールド電極８２，８４から突出する長さを約１ｍｍとした。そして、駆動電極８１及び測定電極８０並びに参照電極８３の下端８０ａ，８１ａ，８３ａからセンサ部７２の先端７２ｂまでの距離は約０．５ｍｍとした。
そして、以上の構成の液面レベルセンサを、容器１内の純水の液面レベルを測定した。なお、センサ部７２の先端７２ｂを容器１の底面に位置させ、センサ部７２の基端７２ａを容器１上部側に向けて、ほぼ鉛直に容器１内面に取り付けて測定した。

図６において、縦軸は静電容量であり、横軸は液面レベルである。液面レベルは、−１０ｍｍのときが、容器が空の状態を示し、０ｍｍのときが、図４に示す基準位置ｈ０に相当する高さに液面があることを示す。また、ラインＬ３は、駆動電極８１と測定電極８０との間の静電容量の変化を示す。ラインＬ４は、駆動電極８１と参照電極８３の参照用測定部９５との間の静電容量の変化を示す。
ラインＬ３に示すように、駆動電極８１と参照電極８３との間の静電容量は、０ｍｍを超えて５５ｍｍまで、約０．５ｐＦである。これに対して、ラインＬ３に示すように、駆動電極８１と測定電極８０との間の静電容量は、０ｍｍから５５ｍｍまで、液面レベルの増加に略比例して増加している。したがって、それぞれの静電容量の値を測定することで、液面レベルを精度良く測定することができる。なお、０ｍｍにおいて、ラインＬ３の静電容量の値よりも、ラインＬ４の静電容量の値が小さいのは、駆動電極８１から測定電極８０までの距離よりも、駆動電極８１から参照電極８３までの距離の方が長いからである。

この実施の形態によれば、参照電極８３のうち、参照用の静電容量を測定する部分だけを露出し、他の部分をシールドしたので、レファレンスとして用いる静電容量を精度良く測定できる。さらに、シールドされていない部分、つまり参照用測定部９５を参照電極８３の下端部分で、容器１の底面近傍に配置したので、レファレンスとして用いる静電容量を測定しやすい。したがって、少ない液量からでも液面レベルを精度良く測定できる。

さらに、センサ部７２は、フィルム７４，７５，７６，７７を積層させた構成とし、参照電極８３のシールドを立体的に構成したので、参照電極８３の信号導通部９６の略全周をシールドすることができる。したがって、基準位置ｈ０よりも液面レベルが高いときに、参照電極８３を確実にシールドでき、液面レベルの測定精度を向上できる。なお、シールドの長さを調整することで、基準位置ｈ０を調整することができる。
そして、駆動電極８１から測定電極８０までの距離と、駆動電極８１から第一シールド電極８２までの距離とを略同一にしたので、駆動電極８１に付加した交流信号を他の電極８０，８２などに略均等に伝播させることができ、測定誤差の発生を防止できる。

ここで、液面レベルセンサは、レファレンスの静電容量を精度良く測定できるので、基準位置ｈ０を確実に検出することができる。また、液面レベルセンサの出力から、液面レベルと基準位置ｈ０の比が容易に演算できる。このため、液面レベルが基準位置ｈ０に達したら（前記の比が１に相当）、警告を発するような制御が可能になる。また、液面レベルセンサを廃液などの貯蔵タンクに取り付ける際には、液面レベルが所定位置に達したことを、センサ出力の値から容易に判定できるので、タンクが満杯になる前に警告を発するような制御が可能になる。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに、広く応用することができる。
例えば、インピーダンスが、液体に浸漬した電極面積に比例することを利用し、静電容量の上位概念であるインピーダンスを測定して、液面レベルを検出するように電流検出回路及び電圧検出回路を備えた測定回路としても良い。
また、測定回路３において、アナログスイッチ３８，４０と発振回路３１との間に、信号の位相を９０°ずらす移相回路７０（図１参照）を介装しても良い。駆動波形に対して位相が９０°ずれる受信電圧の信号強度の大きい位相部分でデータ処理することが可能になるので、より高感度化が図れる。
さらに、第２の実施の形態において、フィルム７４，７５，７６，７７は、最外層であるカバーフィルム７４，７７のみが吸水性のない材料、又は吸水性が殆どない材料を用いても良い、さらに、フィルムの外表面をガラスコーティングしたり、他の防水材料でさらに覆ったりして、吸水を防止しても良い。同様に、第１の実施の形態において、フィルム４，５をガラスなどの防水材料でコーティングしても良い。

本発明の実施の形態における液面レベルセンサの全体構成図である。 液面レベルセンサのセンサ部を示す図である。 液面レベルセンサの実測値の一測定例を示す図である。 液面レベルセンサのセンサ部を示す図である。 液面レベルセンサのセンサ部の分解斜視図である。 液面レベルセンサの実測値の一測定例を示す図である。

符号の説明

２，７２ センサ部
３ 測定回路
４，５ フィルム
７，８０ 測定電極
７ａ，８ａ，９ａ，８０ａ，８１ａ，８３ａ 下端（先端）
８，８１ 駆動電極（測定信号供給電極）
９，８３ 参照電極
１０，９５ 参照用測定部
１１，９６ 信号導通部
７４，７７ カバーフィルム
７５ 第一絶縁フィルム
７６ 第二絶縁フィルム
ｒ１，ｒ２ 距離
ｈ０ 基準位置

Claims (6)

1. 液体が収容される容器内に配置され、所定の交流信号が入力される測定信号供給電極と、前記測定信号供給電極に入力される交流信号に基づいて、基準位置から液面までの距離に応じた信号を発生する測定電極と、前記測定信号供給電極に入力される交流信号に基づいて、液体の電気特性の参照値を測定する参照電極とを有し、前記測定電極と前記参照電極とを、前記測定信号供給電極から所定の間隔をおいて配置したことを特徴とする液面レベルセンサ。
2. 前記測定信号供給電極、前記測定電極、前記参照電極のそれぞれの先端位置を揃えたことを特徴とする請求項１に記載の液面レベルセンサ。
3. 前記参照電極と前記測定信号供給電極との電極間距離は、前記測定電極と前記測定信号供給電極との電極間距離に等しいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液面レベルセンサ。
4. 前記参照電極は、その下端側に前記参照値を測定する参照用測定部を備え、前記参照用測定部からは信号導通部を延設させてあり、前記信号導通部は、前記参照用測定部よりも幅が狭いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液面レベルセンサ。
5. 前記信号導通部から前記測定信号供給電極までの距離は、前記参照用測定部から前記測定信号供給電極までの距離よりも長いことを特徴とする請求項４に記載の液面レベルセンサ。
6. 前記測定電極及び前記測定信号供給電極並びに前記参照電極が、互いに近接して配置され、かつ各電極が長尺型の絶縁フィルムで覆われた長尺フィルム型とされてなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液面レベルセンサ。
   
   

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