JP2007064775A

JP2007064775A - 液面レベルセンサ

Info

Publication number: JP2007064775A
Application number: JP2005250501A
Authority: JP
Inventors: Shin Kiuchi; 慎木内
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15
Also published as: KR100755220B1; KR20070026030A

Abstract

【課題】細かい間隔で正確に液面レベルを検出することのできる液面レベルセンサを提供する。
【解決手段】細長状に形成された測定部１の中央部に駆動電極１０を設け、端部に駆動電極１０と対向するように基準電極１１を設けると共に、長手方向に沿って駆動電極１０と対向するように複数の測定電極１２、１２を設け、測定部１は測定電極１２から信号を取り出す配線パターン１３、１３を複数備え、配線パターン１３はそれぞれ複数の測定電極１２、１２が接続されると共に、測定電極１２の長手方向位置が接続される各配線パターン１３間で互い違いとなるように配置されてなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量式の液面レベルセンサに関し、特に所定ピッチで設けられる電極間の静電容量の変化に基づいて液面レベルを検出する液面レベルセンサに関する。

従来から液体のタンクなどにおいて液面高さを検出するために液面レベルセンサが用いられている。液面高さを測定するための方式の一つとして、液内に互いに対向する駆動電極と測定電極を挿入し、電極間の静電容量を測定することによって液面高さを検出するものが知られている。この際、測定電極を高さ方向に所定ピッチで設けることにより、所定間隔で液面高さを検出することができる。このような液面レベルセンサとしては、特許文献１に挙げるようなものがある。
特開平１０−３０９５０号公報

所定ピッチで測定電極を設けた場合、水位の変化に対して測定電極を設けた間隔毎に静電容量の出力値が階段状に変化するので、その変化を検出することで液面高さを測定することができる。このため、測定電極のピッチを小さくするほど液面高さを細かく検出することができる。しかし、測定電極のピッチを小さくすると静電容量の階段状の出力パターンが直線状に近くなることで、静電容量の閾値判定が困難になり、どの液面レベルにあるかを判別することが困難になる。特に燃料電池などに適用した場合、液体の誘電率が種々変化し、さらに電池の副生成物である蟻酸によってｐＨ変化や大きな誘電率変化、電極表面への吸着形態の変化などが生じることにより、静電容量の閾値判定が困難になる。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、細かい間隔で正確に液面レベルを検出することのできる液面レベルセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る液面レベルセンサは、細長状に形成された測定部の中央部に駆動電極を設け、端部に上記駆動電極と対向するように基準電極を設けると共に、長手方向に沿って上記駆動電極と対向するように複数の測定電極を設けた液面レベルセンサにおいて、
上記測定部は上記測定電極から信号を取り出す配線パターンを複数備え、該配線パターンはそれぞれ複数の上記測定電極が接続されると共に、該測定電極の長手方向位置が接続される各配線パターン間で互い違いとなるように配置されてなることを特徴として構成されている。

また、本発明に係る液面レベルセンサは、上記測定部は薄膜状に形成され、上記駆動電極と基準電極と測定電極及び配線パターンはそれぞれ薄膜状に形成されて上記測定部内に配置されてなることを特徴として構成されている。

さらに、本発明に係る液面レベルセンサは、複数の上記配線パターンは上記測定部の単一層内に並設配置されてなることを特徴として構成されている。

さらにまた、本発明に係る液面レベルセンサは、複数の上記配線パターンは上記測定部の複数層に渡り配置されてなることを特徴として構成されている。

そして、本発明に係る液面レベルセンサは、上記測定電極は上記測定部の単一層内に並設配置され、上記配線パターンは上記測定部において上記測定電極とは異なる層内に配置されると共に、層間を貫通する接続部により上記測定電極と接続されてなることを特徴として構成されている。

本発明に係る液面レベルセンサによれば、測定部は測定電極から信号を取り出す配線パターンを複数備え、配線パターンはそれぞれ複数の測定電極が接続され、測定電極の長手方向位置が接続される各配線パターン間で互い違いとなるように配置されてなることにより、一つの配線パターンに接続される測定電極の長手方向ピッチを大きく取ることができ、一方で複数の配線パターンに接続された測定電極全体としては長手方向ピッチを細かく取ることができるので、細かい間隔でも静電容量の閾値判別を正確に行うことができて、液面レベルを正確に検出することができる。

また、本発明に係る液面レベルセンサによれば、測定部は薄膜状に形成され、駆動電極と基準電極と測定電極及び配線パターンはそれぞれ薄膜状に形成されて測定部内に配置されてなることにより、測定部を薄膜状に構成することができるので、コンパクトな液面レベルセンサとすることができる。

さらに、本発明に係る液面レベルセンサによれば、複数の配線パターンは測定部の単一層内に並設配置されてなることにより、多数の測定電極を配置した測定部を容易に製造することができる。

さらにまた、本発明に係る液面レベルセンサによれば、複数の配線パターンは測定部の複数層に渡り配置されてなることにより、測定電極を多数個配置しても測定部の幅を小さくすることができるので、測定部をコンパクトにすることができると共に、液面が傾斜した場合にも正確に液面レベルを検出することができる。

そして、本発明に係る液面レベルセンサによれば、測定電極は測定部の単一層内に並設配置され、配線パターンは測定部において測定電極とは異なる層内に配置され、層間を貫通する接続部により測定電極と接続されてなることにより、多層フィルムの製造技術により容易に測定部を製造することができる。

本発明の実施形態について図面に沿って詳細に説明する。図１には第１の実施形態における液面レベルセンサの斜視図を示している。この図に示すように、本実施形態の液面レベルセンサは、細長い薄膜状に形成された測定部１をホルダ２に納め、ホルダ２からは端子部３が突出し、検出回路１６に接続されてなるものである。ホルダ２は、測定部１の周面のうち一面を外部に露出させ、それ以外の三面を覆っている。また、端子部３は、測定部１からの出力を外部に取り出すものであり、検出回路１６は測定部１からの出力に基づいて液面レベルを検出する。

図２には、本実施形態における液面レベルセンサの構成図を示している。薄膜状に形成される測定部１の内部には、薄膜状に形成された電極１０、１１、１２と配線パターン１３及び配線パターン１３をシールドするシールド部１７が納められている。図２に示すように、測定部１の中央部には長手方向略全長に渡る駆動電極１０が配置される。また、測定部１の先端部近傍には駆動電極１０と対向するように基準電極１１が、また測定部１の長手方向に沿って駆動電極１０と対向するように複数の測定電極１２、１２が駆動電極１０の両側に配置される。

配線パターン１３は、基準電極１１及び複数の測定電極１２がそれぞれ接続され、各電極からの出力を外部に取り出すものである。基準電極１１に対しては一つの配線パターン１３ａが設けられ、その端部には電極パターン１５ａが設けられる。測定電極１２に対しては、駆動電極１０の図中左側に配置された複数の測定電極１２、１２が接続される一つの配線パターン１３ｂが設けられると共に、駆動電極１０の図中右側に配置された複数の測定電極１２、１２が接続される一つの配線パターン１３ｃが設けられる。

図中左側に設けられる配線パターン１３ｂに接続される測定電極１２、１２は、長手方向に所定間隔で配置され、図中右側に設けられる配線パターン１３ｃに接続される測定電極１２、１２は、図中左側の測定電極１２、１２と同じ所定間隔でかつ互い違いとなるように配置される。すなわち、一つの配線パターン１３に接続された複数の測定電極１２、１２のピッチは一定で、かつ各測定電極１２の長手方向位置は全て異なるように配置されている。また、配線パターン１３ｂと配線パターン１３ｃの端部にはそれぞれ電極パターン１５ｂ及び電極パターン１５ｃが設けられる。

図中左側に配置される配線パターン１３ａ及び配線パターン１３ｂは、その両面を薄膜状に形成されたシールド部１７によって覆われる。また、図中右側に配置される配線パターン１３ｃも、その両面を薄膜状に形成されたシールド部１７によって覆われる。また、電極パターン１５ａ、１５ｂ、１５ｃ及び駆動電極１０の端部はそれぞれ検出回路１６に接続される。検出回路１６は、各電極からの出力を基に液面レベルを検出する。

図３には、測定部１の各電極と配線パターン及びシールド部の配置を表した斜視図を示している。この図に示すように、駆動電極１０と基準電極１１及び各測定電極１２、１２は同じ面上に配置され、配線パターン１３は基準電極１１及び測定電極１２とは異なる面上に配置される。そして、基準電極１１と配線パターン１３ａ、及び測定電極１２と配線パターン１３ｂ、１３ｃはそれぞれ接続部１４を介して接続されている。また、シールド部１７は配線パターン１３の両面をそれぞれ覆うように、膜の厚さ方向両側にそれぞれ設けられる。

図４には、液面レベルセンサの水位に対する静電容量の出力パターンを表した図を示している。この図に示すように、実線で示す駆動電極１０と電極パターン１５ｂ間の静電容量Ｃ１と、一点鎖線で示す駆動電極１０と電極パターン１５ｃ間の静電容量Ｃ２は、いずれも複数の液面レベル位置において急激に上昇する階段状の出力パターンを有している。測定電極１２が配置された水位において静電容量は急激に上昇する。したがって、各電極パターン１５ｂ、１５ｃに接続された各測定電極１２の長手方向位置が互い違いとなるように配置されていることに対応して、電極パターン１５ｂからの出力と電極パターン１５ｃからの出力では、静電容量が急激に上昇する水位にずれがある。

検出回路１６においては、以下のようにして液面レベルを検出する。まず、駆動電極１０と基準電極１１間の静電容量Ｃ０を測定する。次に、駆動電極１０と電極パターン１５ｂ間の静電容量Ｃ１と、駆動電極１０と電極パターン１５ｃ間の静電容量Ｃ２とを測定し、Ｃ１とＣ２のいずれか大きい方の静電容量値をＣ０で割った値Ｎを算出する。この算出値Ｎは測定部１の下側から数えて何番目の測定電極１２まで液体に浸漬しているかを示すものである。したがって、液面レベルは測定部１の下側から数えてＮ番目の測定電極１２よりも上であってＮ＋１番目の測定電極１２よりも下にあることを検出することができる。

図１に示すように測定部１には駆動電極１０の左右に合わせて測定電極１２が１０個、それぞれ異なる長手方向位置となるように配置されているので、測定部１の長さ分の深さに対して１０段階で液面レベルを検出することができる。また、測定電極１２は駆動電極１０の左右で互い違いに配置されていることで、一つの配線パターン１３に接続される測定電極１２のピッチを広く取る一方で、左右合わせた測定電極１２の長手方向ピッチは狭くすることができ、細かい間隔で正確に液面レベルを検出することができる。

次に、液面レベルセンサの第２の実施形態について説明する。図５には本実施形態における液面レベルセンサの測定部１の構成図を、図６には測定部１の分解図を、それぞれ示している。図５に示すように、本実施形態においても測定部１は細長状に形成され、これに駆動電極１０と基準電極１１、測定電極１２及びシールド部１７が納められている。一方、図６に示すように、本実施形態においては、第１の実施形態よりもさらに細かいピッチで測定電極１２を配置しており、複数の層にそれぞれ配線パターン１３を形成している。

測定部１は複数の層を積層して構成されており、図６（ａ）〜図６（ｆ）に各層の平面図を示している。図６（ａ）には測定電極層２０の平面図を示しており、測定電極層２０には中央部に長手方向略全長に渡る駆動電極１０が配置され、先端部には基準電極１１が配置されると共に、長手方向に沿って複数の測定電極１２、１２が駆動電極１０の左右に同じ長手方向ピッチでかつ互い違いとなるように配置される。また、測定電極層２０には、左右の側部にそれぞれシールド部１７、１７が配置される。

図６（ｂ）には第１の配線パターン層２１ａの平面図を示している。第１の配線パターン層２１ａには、基準電極１１に対する配線パターン１３ａと、駆動電極１０の図中左側に配置された測定電極１２が３つおきに接続された配線パターン１３ｂと、駆動電極１０の図中右側に配置された測定電極１２が３つおきに接続された配線パターン１３ｃとが設けられている。また、配線パターン１３ａと基準電極１１は、層間を貫通する接続部１４を介して接続され、同様に配線パターン１３ｂ、１３ｃと各測定電極１２も、層間を貫通する接続部１４を介して接続される。

図６（ｃ）には第２の配線パターン層２１ｂの平面図を、図６（ｄ）には第３の配線パターン層２１ｃの平面図を、それぞれ示しており、これらは第１の配線パターン層２１ａと同様に駆動電極１０の図中左側に配置された測定電極１２が３つおきに接続された配線パターン１３ｄ、１３ｆと、駆動電極１０の図中右側に配置された測定電極１２が３つおきに接続された配線パターン１３ｅ、１３ｇとが設けられており、これらは層間を貫通する接続部１４を介して各測定電極１２に接続される。

各配線パターン層２１に配置された２つの配線パターン１３は、互い違いに配置された測定電極１２にそれぞれ接続される。また、一つの配線パターン１３は他の配線パターン層２１の配線パターン１３に対しても接続される測定電極１２が互い違いとなるように配置されている。したがって、一つの配線パターン１３に接続される測定電極１２のピッチを大きく取ることができる一方、複数の配線パターン１３により全体としては測定電極１２のピッチを小さくすることができるので、細かい間隔で正確に液面レベルを検出することができる。

図６（ｅ）には絶縁層２２の平面図を、図６（ｆ）にはシールド層２３の平面図を、それぞれ示している。シールド層２３には左右の側部にそれぞれシールド部１７、１７が設けられており、絶縁層２２により配線パターン１３と絶縁がなされる。

図７には、測定部１の分解断面図を示している。この図に示すように、測定電極層２０と各配線パターン層２１には、下面側に電極等が配置されており、配線パターン１３と測定電極１２を接続する接続部１４は層間を貫通するように形成されている。また、シールド部１７はシールド層２３の上面に設けられており、絶縁層２２によって配線パターン１３と絶縁されている。

このような測定部１を有した液面レベルセンサの液面レベル検出については、第１の実施形態と同様であって、まず基準電極１１と駆動電極１０間の静電容量を測定し、次に各配線パターン１３毎の駆動電極１０との間の静電容量を測定し、静電容量の大きいもののうち最も上側の位置に測定電極１２のある配線パターン１３からの出力値を、基準電極１１と駆動電極１０間の静電容量で割った値Ｎを算出する。これにより、下側からＮ番目の測定電極１２とＮ＋１番目の測定電極１２の間に液面があることが検出される。

次に、液面レベルセンサの第３の実施形態について説明する。図８には本実施形態における液面レベルセンサの測定部１の構成図を、図９には測定部１の分解図を、それぞれ示している。第２の実施形態の測定部１では、複数の配線パターン層２１に渡って配線パターン１３を設けているが、本実施形態では単一の配線パターン層に全ての配線パターン１３を並設配置している。

図９（ａ）には、測定電極層２０の平面図を示している。この図に示すように、測定電極層２０には複数の測定電極１２、１２からなる電極の列が６列配置されている。それぞれの電極の列は、所定ピッチで複数の測定電極１２、１２が配列されており、かつ各列間では測定電極１２が互い違いとなるように配置されている。すなわち、全ての測定電極１２がそれぞれ異なる長手方向位置に配置されている。

また、駆動電極１０は３つ設けられており、測定部１の先端部に設けられる基準電極１１と、全ての測定電極１２は、いずれも駆動電極１０と対向するように配置されている。さらに、測定電極層２０には配線パターン層２１において配線パターン１３が配置される領域にシールド部１７が配置されている。

図９（ｂ）には、配線パターン層２１の平面図を示している。この図に示すように、配線パターン１３は、測定電極層２０に配置された測定電極１２にそれぞれ対応するように配置され、層間を貫通する接続部１４を介して測定電極１２と接続する。

図９（ｃ）には絶縁層２２の平面図を、図９（ｄ）にはシールド層２３の平面図を、それぞれ示している。シールド層２３には測定電極層２０のシールド部１７に対応してシールド部１７が設けられており、絶縁層２２によって配線パターン１３と絶縁されている。

図１０には、測定部１の分解断面図を示している。この図に示すように、測定電極層２０と配線パターン層２１には、下面側に電極等が配置されており、配線パターン１３と測定電極１２を接続する接続部１４は層間を貫通するように形成されている。また、シールド部１７はシールド層２３の上面に設けられており、絶縁層２２によって配線パターン１３と絶縁されている。なお、液面レベルの検出については、第２の実施形態と同様である。

測定部１の幅は、配線パターン層２１が多層構造からなる第２の実施形態の方が狭くできる。液面を検出するタンク等が傾斜することで生じる誤差は、測定部１の幅が小さいほど小さくすることができるので、タンク等が傾斜する可能性がある場合、またタンク等の寸法に制約がある場合には、第２の実施形態の液面レベルセンサを用いる方がよい。ただし、これらの制約がない場合には、第３の実施形態の液面レベルセンサを用いることもできる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明の適用はこれら実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲内において様々に適用されうるものである。例えば、測定電極１２の数やピッチについては、適宜様々に設定することができるし、駆動電極と測定電極の役割は相互に交換することもできる。

第１の実施形態における液面レベルセンサの斜視図である。第１の実施形態における液面レベルセンサの構成図である。測定部の電極と配線パターン及びシールド部の配置を示した斜視図である。図２の液面レベルセンサの水位に対する静電容量の出力パターンを示した図である。第２の実施形態における液面レベルセンサの測定部の構成図である。測定部の分解図である。測定部の分解断面図である。第３の実施形態における液面レベルセンサの構成図である。測定部の液面レベルセンサの分解図である。測定部の分解断面図である。

符号の説明

１測定部
２ホルダ
３端子部
１０駆動電極
１１基準電極
１２測定電極
１３配線パターン
１４接続部
１５電極パターン
１６検出回路
１７シールド部
２０測定電極層
２１配線パターン層
２２絶縁層
２３シールド層

Claims

細長状に形成された測定部の中央部に駆動電極を設け、端部に上記駆動電極と対向するように基準電極を設けると共に、長手方向に沿って上記駆動電極と対向するように複数の測定電極を設けた液面レベルセンサにおいて、
上記測定部は上記測定電極から信号を取り出す配線パターンを複数備え、該配線パターンはそれぞれ複数の上記測定電極が接続されると共に、該測定電極の長手方向位置が接続される各配線パターン間で互い違いとなるように配置されてなることを特徴とする液面レベルセンサ。
上記測定部は薄膜状に形成され、上記駆動電極と基準電極と測定電極及び配線パターンはそれぞれ薄膜状に形成されて上記測定部内に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の液面レベルセンサ。
複数の上記配線パターンは上記測定部の単一層内に並設配置されてなることを特徴とする請求項２記載の液面レベルセンサ。
複数の上記配線パターンは上記測定部の複数層に渡り配置されてなることを特徴とする請求項２記載の液面レベルセンサ。
上記測定電極は上記測定部の単一層内に並設配置され、上記配線パターンは上記測定部において上記測定電極とは異なる層内に配置されると共に、層間を貫通する接続部により上記測定電極と接続されてなることを特徴とする請求項３または４記載の液面レベルセンサ。