JP2013190346A - 静電容量式液面レベルセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】端子数が従来に比して少ない単純な構造を持ち、液面レベルを精度良く測定することができる静電容量式液面レベルセンサを提供する。
【解決手段】細長の支持体６１に帯状の第１〜第４の電極６２〜６５が配置された板状の第１のセンサ部と、第１のセンサ部の一方の端部から直交する方向に延設され、支持体６１に帯状の第１、第３、第４の電極６２，６４，６５が配置された板状の第２のセンサ部とを有するセンサ電極６０からなり、第１及び第４の電極６２，６５を共通接続したときの液面高さに応じて変化する第１及び第４の電極６２、６５と第２の電極６３間の静電容量で液面レベルを検出すると共に、第１及び第４の電極６２，６５と第３の電極６４間の静電容量で前記液体の誘電率を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、静電容量式液面レベルセンサに関するものである。

静電容量式液面レベルセンサにおいて、静電容量は液体の誘電率によって変化するため、一般的に正確な液面レベルを測定するために、液面レベルを測定する液面レベル測定電極と、液体の比誘電率を測定する誘電率測定電極を設置する必要がある。しかし、誘電率測定電極は、容器の底部に設置しなければならず、また液面レベルの変動によってこの誘電率測定電極の容量値が変化しないことが望ましい。誘電率測定電極の液面レベル変動による容量変化を起こさないためのシールド構造を追加すると、端子数の増加やそれに伴う構成の複雑化を招いてしまう。また、精度良く誘電率を測定しようとする場合、誘電率測定電極は、できるだけ容量変化を大きく検出できることが望ましいが、電極が大きくなるため、液面レベルの測定ができない領域が増えてしまう。

図５は、従来の静電容量式液面レベルセンサの構成例を示し、（Ａ）はセンサ部を示す図、（Ｂ）はセンサ部の分解斜視図である。図５に示すように、センサ部２は、細長のフィルム形状を有し、長手方向の一方の基端２ａが不図示の測定回路に接続され、先端２ｂが容器１の底面近傍に位置するように垂直に固定される。さらに、基端２ａから先端２ｂに向かう間で、センサ部２は、その幅が広がっている。この拡幅部分８から先を、液体内に浸漬することが好ましい。センサ部２は、カバーフィルム４と、第一絶縁フィルム５と、第二絶縁フィルム６と、カバーフィルム７とを、この順番に積層させてある。各フィルム４，５，６，７は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、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４上には、カバーフィルム４の半分ほどの幅を有するシールド層９がシート状に設けられている。第一絶縁フィルム５は、カバーフィルム４と共にシールド層９を挟むようにカバーフィルム４上に密着されている。この第一絶縁フィルム５には、各々線状の測定電極１０と、駆動電極（測定信号供給電極）１１と、第一シールド電極１２と、参照電極１３と、第二シールド電極１４とが、第一絶縁フィルム５の長手方向に沿って、各々離間して並列に配設されている。第二絶縁フィルム６は、第一絶縁フィルム５と共に各電極１０，１１，１２，１３，１４を挟むように、第一絶縁フィルム５上に密着されている。この第二絶縁フィルム６上には、第二絶縁フィルム６の半分ほどの幅を有するシールド層１５がシート状に設けられている。そして、カバーフィルム７は、第二絶縁フィルム６と共にシールド層１５を挟むように、第二絶縁フィルム６上に密着する。なお、図５（Ａ）に示すように、センサ部２の上部に相当する基端２ａ側では、第二絶縁フィルム６及びカバーフィルム７が、カバーフィルム４及び第一絶縁フィルム５よりも短くなっており、各電極１０，１１，１２，１３，１４が、各々所定の長さで露出している。

駆動電極１１は、所定の線幅及び厚さで第一絶縁フィルム５の面１７上に、基端から先端の近傍まで設けられている。この駆動電極１１の上端は、センサ部２の基端２ａ側において付図示の測定回路に接続されており、所定の駆動用の交流信号が入力される。また、駆動電極１１の下端（先端）１１ａは、第一絶縁フィルム５の先端５ａよりも、所定の距離ｒ１だけ上方に位置している。測定電極１０は、面１７上において、駆動電極１１から所定距離をおいた位置に設けられている。測定電極１０の線幅及び厚さは、駆動電極１１と同じである。測定電極１０の上端は、センサ部２の基端２ａ側において不図示の測定回路に接続される。また、測定電極１０の下端（先端）１０ａは、第一絶縁フィルム５の先端５ａ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１０と駆動電極１１とは、容量素子を形成する。その静電容量は、測定電極１０及び駆動電極１１の表面積と、電極間距離と、電極間の誘電率とで定まる。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１０と駆動電極１１との間の静電容量は、液面に浸漬している表面積、つまり測定電極１０及び駆動電極１１の下端から、後述する液面レベルまでの長さに略比例する。

また、第一シールド電極１２は、面１７上において、駆動電極１１に対して測定電極１０と略対称な位置に設けられている。つまり、駆動電極１１から測定電極１０までの距離と、駆動電極１１から第一シールド電極１２までの距離は、略同一である。第一シールド電極１２の上端は、接地される。また、第一シールド電極１２の下端（先端）１２ａは、第一絶縁フィルム５の先端５ａ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１３は、面１７上において、駆動電極１１から、さらに離間した位置に配置されている。参照電極１３の幅及び厚さは、駆動電極１１と等しい。参照電極１３の上端は、センサ部２の基端側において不図示の測定回路に接続される。また、参照電極１３の下端（先端）１３ａは、第一絶縁フィルム５の先端５ａ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１４は、面１７上において、第一シールド電極１２と共に参照電極１３を挟むように配置されている。つまり、参照電極１３から第二シールド電極１４までの距離は、参照電極１３から第一シールド電極１２までの距離の略等しい。第二シールド電極１４の上端は、接地される。また、第二シールド電極１４の下端（先端）１４ａは、第一絶縁フィルム５の先端５ａ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９は、参照電極１３、シールド電極１２，１４及びシールド層１５に重なる位置に設けられている。具体的には、シールド層１５の幅は、シールド電極１２，１４の電極間距離に、各シールド電極１２，１４の幅を加えた値に略等しい。また、シールド層９の下端（先端）は、シールド電極１２，１４と同様に、第一絶縁フィルム５及び第二絶縁フィルム６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９は、導電性材料からなる。そして、第一絶縁フィルム５に形成された導電スルーホール部２０を介して、第二シールド電極１４と電気的に接続されている。なお、導電スルーホール部２０は、例えば、第一絶縁フィルム５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１５は、導電性材料からなり、シールド層９と同じ形状を有している。また、シールド層１５は、第二絶縁フィルム６が第一絶縁フィルム５の面１７と密着する面と反対側の面２１に形成されている。その下端（先端）は、シールド電極１２，１３及びシールド層９と同じ位置にある。さらに、このシールド層１５は、第二絶縁フィルム６に形成された導電スルーホール部２３を介して、第二シールド電極１４と電気的に接続されている。シールド層９とシールド層１５とは、第一絶縁フィルム５及び第二絶縁フィルム６を介して、参照電極１３及びシールド電極１２，１４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１２，１４と一対のシールド層９，１５は、参照電極１３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１２，１４は、前記のように接地されるので、一対のシールド電極１２，１４と一対のシールド層９，１５は、参照電極１３の電磁的なシールドとなる。

そして、参照電極１３の下端１３ａ近傍で、シールドから突出する部分が、参照用測定部２５となり、シールドされている部分が信号導通部２６とされる。参照用測定部２５は、駆動電極１１と、容量素子を形成する。その静電容量は、参照用測定部２５及び駆動電極１１の表面積と、電極間距離と、電極間の誘電率とで定まる。参照用測定部２５の長さは、所定の距離ｒ２から所定の距離ｒ１を引いた長さであり、このときの静電容量（誘電率）の値が、液面レベルを測定する際の参照値になる。そして、信号導通部２６は、その上端が測定回路３に接続され、参照用測定部２５で発生する所定の信号を不図示の測定回路に入力する役割を担う。

なお、各電極１０，１１，１２，１３，１４と、シールド層９，１５とは、所定の厚さの導電性材料を貼り付けられたフィルム４，５，６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２の拡幅部分８では、各電極１０，１１，１２，１３，１４の配置間隔も、第一シールド電極１２を中心にして長くなっている。

特開２００５−１４７７７９号公報

しかしながら、上述の従来例では、液面レベルセンサのセンサ部は、誘電率測定電極にシールド構造を加え、液面レベルによる容量変化を防いでいるが、シールド電極１２，１４（１２及び１４は共通接続される）と、誘電率測定用の一対の配線（駆動電極１１＋参照用測定電極１３）、液面レベル測定用の一対の配線（駆動電極１１＋液面レベル測定用電極１０）で構成されており、センサ部を測定回路に接続するためには、合計４本（駆動電極は共通）の配線が必要である。

そこで、本発明は、端子数が従来に比して少ない単純な構造を持ち、液面レベルを精度良く測定することができる静電容量式液面レベルセンサを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための請求項１記載の発明の静電容量式液面レベルセンサは、
細長の板状の第１のセンサ部（６０ａ）と該第１のセンサ部（６０ａ）の一方の端部から直交する方向に延設された板状の第２のセンサ部（６０ｂ）とを有するセンサ電極（６０）からなり、前記第１のセンサ部（６０ａ）の長手方向が液面に対して垂直かつ前記第２のセンサ部（６０ｂ）が液面に対して下方になるように配置されて使用される静電容量式液面レベルセンサであって、
前記第１のセンサ部（６０ａ）は、細長の支持体（６１）の長手方向に、帯状の第１及び第２の電極（６２，６３）が互いに所定間隔をおいて並列に配置され、かつ帯状の第３及び第４の電極（６４，６５）が、前記第１の電極（６２）上に、前記第３の電極（６４）を挟んで前記第１の電極（６２）と前記第４の電極（６５）が対向するように、互いに絶縁状態で積層配置されると共に、前記第３の電極（６４）が、前記第１及び第４の電極（６２，６５）よりも小さい幅を有して前記第１及び第４の電極（６２，６５）の幅方向のほぼ中央に配置され、
前記第２のセンサ部（６０ｂ）は、前記第１のセンサ部（６０ａ）から直交する方向に延設された前記支持体（６１）に前記第１のセンサ部（６０ａ）から直交する方向に延長された前記第１、第３及び第４の電極（６２，６４，６５）が配置され、
前記第２のセンサ部（６０ｂ）における前記第１（６２）及び第４の電極（６５）のうちの一方は、前記第３の電極（６４）とほぼ同じ幅に形成され、他方は前記第２のセンサ部（６０ｂ）の上面側に配置されており、
前記第１及び第４の電極（６２，６５）を共通接続したときの液面高さに応じて変化する前記第１及び第４の電極（６２、６５）と前記第２の電極（６３）間の静電容量で液面レベルを検出すると共に、前記第１及び第４の電極（６２，６５）と前記第３の電極（６４）間の静電容量で前記液体の誘電率を検出する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決するための請求項２記載の発明は、請求項１記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、共通接続された前記第１及び第４の電極（６２．６５）を接地電位に接続し、シールド電極としたことを特徴とする。

上述した課題を解決するための請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、前記第２のセンサ部（６０ｂ）における前記第４の電極（６５）の幅は、前記第１のセンサ部（６０ｂ）における前記第４の電極（６５）の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする。

上述した課題を解決するための請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、前記センサ電極（６０）が可撓性を有することを特徴とする。

なお、上述の課題を解決するための手段の説明におけるかっこ書きの参照符号は、以下の、発明を実施するための形態の説明における構成要素の参照符号に対応しているが、これらは、特許請求の範囲の解釈を限定するものではない。

請求項１記載の発明によれば、静電容量式液面レベルセンサは、細長の板状の第１のセンサ部と該第１のセンサ部の一方の端部から直交する方向に延設された板状の第２のセンサ部とを有するセンサ電極からなり、前記第１のセンサ部の長手方向が液面に対して垂直かつ前記第２のセンサ部が液面に対して下方になるように配置されて使用される静電容量式液面レベルセンサであって、第１のセンサ部は、細長の支持体の長手方向に、帯状の第１及び第２の電極が互いに所定間隔をおいて並列に配置され、かつ帯状の第３及び第４の電極が、前記第１の電極上に、第３の電極を挟んで第１の電極と第４の電極が対向するように、互いに絶縁状態で積層配置されると共に、第３の電極が、第１及び第４の電極よりも小さい幅を有して第１及び第４の電極の幅方向のほぼ中央に配置され、第２のセンサ部は、第１のセンサ部から直交する方向に延設された支持体に第１のセンサ部から直交する方向に延長された第１、第３及び第４の電極が配置され、第２のセンサ部における第１及び第４の電極のうちの一方は、第３の電極とほぼ同じ幅に形成され、他方は第２のセンサ部の上面側に配置されており、第１及び第４の電極を共通接続したときの液面高さに応じて変化する第１及び第４の電極と第２の電極間の静電容量で液面レベルを検出すると共に、第１及び第４の電極と第３の電極（６４）間の静電容量で液体の誘電率を検出するので、液面レベルセンサの端子は３本で済むため、従来より配線が容易であり、液体の液面レベル及び誘電率を測定することができる。

請求項２記載の発明によれば、共通接続された第１及び第４の電極を接地電位に接続し、シールド電極としたので、液面レベルの変化によって誘電率センサの静電容量が変化しないため、液体の誘電率を精度良く測定することができる。

請求項３記載の発明によれば、第２のセンサ部における第４の電極の幅は、第１のセンサ部における第４の電極の幅よりも大きく形成されているので、第２のセンサ部における第４の電極の表面積がより大きくなり、第１及び第４の電極と第３の電極間の静電容量がより大きくなるため、液体の誘電率をより精度良く測定することができる。また、第４の電極を接地電位に接続した場合のシールド効果が向上する。

請求項４記載の発明によれば、センサ電極が可撓性を有するので、センサ電極を容易に折り曲げることができ、センサ電極を保持具に組み付ける作業が簡単になる。

本発明の静電容量式液面レベルセンサの一実施形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は展開図、（Ｃ）は右側面図である。 図１の液面レベルセンサにおける保持具の構成を示す斜視図である。 図１の液面レベルセンサにおけるセンサ電極の構成を示し、（Ａ）は展開図、（Ｂ）はＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）はＩＩ−ＩＩ線断面図、（Ｄ）はＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 本発明の静電容量式液面レベルセンサにおける液面レベル対静電容量の特性を示す特性図である。 従来の静電容量式液面レベルセンサの構成例を示し、（Ａ）はセンサ部を示す図、（Ｂ）はセンサ部の分解斜視図である。

図１は、本発明の静電容量式液面レベルセンサの一実施形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は展開図、（Ｃ）は右側面図である。

静電容量式液面レベルセンサ１は、保持具３０、隔離板４０、検出回路基板５０及びセンサ電極６０から構成される。保持具３０は、絶縁性の硬い樹脂からなり、図２に示すように、２本の細長い板状の第１の保持部３０ａと、この第１の保持部４０ａの一端部（図１では下方の端部）から直交する方向に延設された２本の板状の第２の保持部３０ｂとがＬ字状に形成されると共に、第１の保持部３０ａと第２の保持部３０ｂの２つの連結部間に桟部３０ｅが設けられて、一体形成されている。第１の保持部３０ａ両側端部には、複数の保持片３０ｃが一体形成され、第２の保持部３０ｂの両側端部には、複数の保持片３０ｄが一体形成されている。保持片３０ｃ及び３０ｄは、後述するようにセンサ電極６０を組み付ける際に変形できる弾性を有している。第１の保持部３０ａの他端（図１では上方の端部）には隔離板４０が取り付けられ、隔離板４０の上面には検出回路基板５０が取り付けられている。

センサ電極６０は、細長の板状の第１のセンサ部６０ａとこの第１のセンサ部６０ａの一端部（図１では下方の端部）から直交する方向に延設された板状の第２のセンサ部６０ｂがＬ字状に一体形成されている。

図３は、図１の液面レベルセンサにおけるセンサ電極の構成を示し、（Ａ）は展開図、（Ｂ）はＩ−Ｉ線断面図、（Ｃ）はＩＩ−ＩＩ線断面図、（Ｄ）はＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。なお、図３（Ａ）は展開図であるが、図３（Ｂ）〜（Ｄ）に示される４つの電極６２〜６５は絶縁体６１中に積層されているので、これらの位置関係が明確になるように、各電極が透視図的に示されている。

図３に示すように、センサ電極６０は、支持体としての細長の絶縁体６１で支持された４つの帯状の電極６２、６３、６４、６５で構成される。絶縁体６１は、絶縁フィルムなどの可撓性のある絶縁材料（例えば、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ポリイミド等）からなる。各電極は、ステンレス箔、銅箔、アルミ箔等の可撓性のある帯状の導電性材料からなり、絶縁体６１中に封入されている。電極６２、６４，６５は、絶縁体６１の一方の側端部（図３では左側端部）付近に積層配置され、電極６４が電極６２と電極６５間に挟まれている。電極６３は、絶縁体６１の他方の側端部（図３では右側端部）付近に配置されている。センサ電極６０の製造方法は、一般的なホットメルトラミネート法や接着剤を用いたラミネート法等の手法を用いて作製することができる。

電極６２は、絶縁体６１の一方の側端部側に配置され、絶縁体６１の長手方向に延びると共に一方の側端部が絶縁体６１の一方の側端部（図３では左側端部）にほぼ一致しそこから所定幅（図３では絶縁体６１の幅の約１／３の幅）を有する帯状部６２ａと、帯状部６２ａの他方の側端部から長手方向に間隔をおいて直交方向に延設された櫛歯部６２ｂと、帯状部６２ａの長手方向の一方の端部から絶縁体２１の他方の側端部へ直交方向に延設され、櫛歯部６２ｂとほぼ同じ形状の櫛歯部６２ｃとを有する。

電極６３は、絶縁体６１の長手方向に伸びると共に一方の側端部が絶縁体６１の一方の側端部（図３では右側端部）にほぼ一致し所定幅（図３では絶縁体６１の幅の約１／１０の幅）を有する帯状部６３ａと、帯状部６３ａの他方の側端部から長手方向に間隔をおいて直交方向に延設された、電極６２の櫛歯部６２ｂと同じ形状を有する櫛歯部６３ｂとを有する。

電極６４は、絶縁体６１の長手方向に伸びると共に所定幅（図３では絶縁体６１の幅の約１／１０の幅）を有する帯状部６４ａと、帯状部６４ａの長手方向の一方の端部から絶縁体６１の他方の側端部へ帯状部６４ａと同じ幅で延設され、電極６２の櫛歯部６２ｃの間に位置する櫛歯部６４ｃとを有する。帯状部６４ａは、電極６２の帯状部６２ａの幅方向のほぼ中央に位置している。

電極６５は、絶縁体６１の一方の側端部側に配置され、電極６２の帯状部６２ａと同じ形状を有する帯状部６５ａと、帯状部６２ａの長手方向の一方の端部から絶縁体６１の他方の側端部へ延設され、帯状部６５ａより幅広（例えば、絶縁体６１の幅よりやや小さい幅）の四角形のシールド部６５ｂとを有する。シールド部６５ｂは、電極６２の櫛歯部６２ｃ及び電極６４の櫛歯部６４ｃと積層方向で重なっている。

電極６２及び電極６５は、電極６４を挟んで対向する電極であり、共通接続されてシールド電極として働き、電極６３は液面レベル測定用の電極、電極６４は液体の誘電率測定用の電極として働く。液面レベルは、電極６３と電極６２，６５間の静電容量に基づいて検出され、液体の誘電率は、電極６４と電極６２，６５間の静電容量値に基づいて検出される。

次には、センサ電極６０の作製方法について説明する。なお、ここでは接着剤を用いたラミネート法で作製される場合を説明する。

まず、１枚の細長の絶縁フィルム上に、その長手方向に帯状の電極６２及び電極６３を間隔をおいて並列に配置し、接着剤を使用して貼り合わせる。次に電極６２上に、電極６２よりも少し大きいサイズの２枚目の絶縁フィルムを配置して接着剤で貼り合わせる。次に、２枚目の絶縁フィルム上に電極６４を電極６２の帯状部６２ａの幅方向のほぼ中央位置に帯状部６４ａが位置するように配置して接着剤で貼り合わせる。次に、電極６４上に２枚目と同じサイズの３枚目の絶縁フィルムを配置して接着剤で貼り合わせる。次に、３枚目の絶縁フィルム上に電極６５を電極６２と積層上の同じ位置になるように配置して接着剤で貼り合わせる。次に、電極６５と３枚目の絶縁フィルムとの上に１枚目と同じサイズの４枚目の絶縁フィルムを配置して接着剤で貼り合わせる。

次に、上記の方法で作製された加工前のセンサ電極６０は、絶縁体６１の他方の端部に各電極のリード端子を露出させるように加工される。すなわち、センサ電極６０の上端近傍から上端までの絶縁体６１を剥がして除去し、電極６２、６３、６４、６５の一部を露出させ、露出した電極部分をそれぞれリード端子となる形状にカットする。

このようにして作製されたセンサ電極６０は、細長の可撓性のある絶縁体６１に、その長手方向に可撓性のある電極６２，６３が互いに間隔をおいて並列に配置されると共に、電極６２上に、可撓性のある電極６４，６５が互いに絶縁状態で順次積層配置されており、全体で可撓性のあるものとなっている。また、絶縁体６１の一方の端部（図３では下方の端部）付近におけるセンサ電極６２の櫛歯部６２ｃが延設される帯状部６２ａの端部と電極６５のシールド部６５ｂが延設される帯状部６５ａの端部は積層方向で同じ位置にあり、この端部位置が、後述する液面レベルのＥ（エンプティレベル）点になり、絶縁体６１の他方の端部（図３では上方の端部）付近におけるセンサ電極６２の最も端に位置する櫛歯部６２ｂの上方の側部が、後述する液面レベルのＦ（フルレベル）点になる。

次に、センサ電極６０を保持具３０に組み付ける方法について説明する。まず、センサ電極６０を第１のセンサ部６０ａと第２のセンサ部６０ｂの境となるＥ点の場所で第１のセンサ部６０ａと第２のセンサ部６０ｂとが互いに直交する方向になるように折り曲げる。折り曲げる方向は、第２のセンサ部６０ｂにおける電極６５のシールド部６５ｂが第１のセンサ部６０ａの上面側に近づく方向である。折り曲げ後のセンサ電極６０は、第２のセンサ部６０ｂにおける電極６５が第２のセンサ部６０ｂの上面側になる。このとき、センサ電極６０を構成する絶縁体６１、電極６２〜６５は、全て可撓性の材料からなるので、センサ電極６０を容易に９０度まで折り曲げることができる。また、折り曲げても、第１のセンサ部６０ａの電極６２，６４，６５から延長された第２のセンサ部６０ｂの電極６２，６４，６５のＥ点での断線は発生しないように各材料が選択されている。

次に、折り曲げた状態のセンサ電極６０を保持具３０に近づけ、センサ電極６０の第１のセンサ部６０ａの横方向一側（図１においては左側）を、先端側（隔離板４０が取り付けられる側）から後端（第２のセンサ部６０ｂとの連結部）まで、保持具３０の第１の保持部３０ａの表面と横方向一側にある係合片３０ｃとの間に差し込み、続いて、第２のセンサ部６０ｂの同じ側を、同様に、保持具３０の第２の保持部３０ｂの表面と横方向一側にある係合片３０ｄとの間に差し込む。次に、センサ電極６０の全体を差し込んだ係合片３０ｃ，３０ｄの奥に押し込むと共に、センサ電極６０の全体を、保持具３０の第１の保持部３０ａ及び第２の保持部３０ｂの各表面に接触させる。

続いて、センサ電極６０の横方向他側（図１においては右側）を、保持具３０の第１の保持部３０ａの表面と横方向他側にある係合片３０ｃの間及び第２の保持部３０ｂの表面と横方向他側にある係合片３０ｄの間に差し込む。以上の作業により、センサ電極６０は、保持具３０の第１の保持部３０ａと第２の保持部３０ｂの表面に係合片３０ｃおよび３０ｄの弾性により保持され、保持具３０へのセンサ電極６０の組み付けが完了する。

センサ電極６０は、Ｅ点を境として、保持具３０の第１の保持部３０ａに保持されている第１のセンサ部６０ａが液面レベルを測定するための液面レベル測定領域となり、保持具３０の第２の保持部３０ｂに保持されている第２のセンサ部６０ｂが液体の誘電率を測定するための誘電率測定領域となる。その後、センサ電極６０を組み付けた保持具３０に隔離板４０を取り付け、隔離板上の検出回路基板５０とセンサ電極６０のリード端子との電気的接続をリード線等を使用して行うことで、静電容量式液面レベルセンサ１が完成する。

完成した静電容量式液面レベルセンサ１は、液体を入れるタンク（図示しない）の内部に、センサ電極６０の第２のセンサ部６０ｂがタンクの底部に位置し、かつセンサ電極６０の第１のセンサ部６０ａの長手方向が液面に対して垂直になるように固定されて使用される。検出回路基板５０が、隔離板４０上に設置されており、液体が検出回路に触れないような構造になっている。

ここで、電極６４を挟んで対向する電極６２と電極６５は共通接続され、接地電位に接続されて使用されるので、以降、電極６２と電極６５をまとめて電極Ａと称する。また、電極６３を電極Ｂとし、電極６４を電極Ｃとする。さらに、電極Ａと電極Ｂとの間の静電容量をＣ_A-Bとし、電極Ａと電極Ｃとの間の静電容量をＣ_A-Cとする。電極Ａと電極Ｂとは、液面レベルに対して水平方向に電極の一部が延びる櫛歯型となっており、液面レベルの変化に対して静電容量の変化が大きく取れるような構造となっている。また、液体の液面レベル測定可能範囲の最下点をＥ（エンプティレベル）点とし、最上点をＦ（フルレベル）点とする。

電極Ａとなる電極６２及び電極６５は、電極Ｃを挟むように配置され、電極Ｃよりも十分に幅を広くしているので、電極Ｃに対するシールド電極として働き、Ｅ点からＦ点までの間における静電容量Ｃ_A-Cが外部空間の誘電率変化の影響を受けないようにすることができる。液体の液面レベルが上昇した場合、静電容量Ｃ_A-Bは、空気と液体の誘電率差によって増加するので、電極Ａと電極Ｂとを液面レベルセンサとして使用することができる。また、静電容量Ｃ_A-Cは、Ｅ点よりも液面レベルが高い場合においては常に一定の値を持つ。すなわち、電極Ｃが常に液体に浸漬されている状態では、静電容量Ｃ_A-Cは、液体の誘電率のみで変動するため、電極Ａと電極Ｃとを液体の誘電率センサとして使用することができる。

また、誘電率センサの静電容量Ｃ_A-Cは、電極６５のシールド部６５ｂがなければ、電極ＣとＥ点よりも上側の電極Ｂとが静電結合する懸念があり、Ｅ点に液面レベルがある時の静電容量に対して、Ｅ点よりも上部に液面レベルがある時の静電容量の方が大きくなってしまう。液面レベルがＥ点よりも十分に高い位置にある時の静電容量の変化は僅かであるためあまり問題にはならないが、液面レベルがＥ点付近にある時の変化は大きくなり、誘電率測定の誤差になる場合がある。そこで、本発明ではセンサ電極６０をＥ点で折り曲げ、誘電率センサの領域において、電極Ｃの上部に電極６５のシールド部６５ｂが配置されるように構成することにより、シールド部６５ｂによって電極Ｃと電極Ｂとの静電結合が遮断されるので、Ｅ点よりも上部の液面レベルの変化にかかわらず、静電容量Ｃ_A-Cが一定の値になる。

図４は、液面レベルと静電容量変化の特性を示す特性図である。Ｃ_A-B及びＣ_A-Cは、それぞれ、液面レベルセンサの静電容量及び誘電率センサの静電容量を示す。液面レベルは、Ｅ点がエンプティレベル（０ｃｍ）を示し、Ｆ点がフルレベル（測定可能な最高液面レベル）を示し、Ｅ点より低いレベルは液面レベルとして採用しない。また、２種類の異なる誘電率を持つ液体Ｌ１及びＬ２の測定結果を、それぞれ、Ｃ１，Ｃ２で示してある。誘電率の関係は、Ｌ１＞Ｌ２である。

Ｃ１_A-B及びＣ２_A-Bは、空気と液体の誘電率差によってＥ点よりも高い液面レベルにおいて直線的に増加する。また、Ｃ１_A-C及びＣ２_A-Cは、対向する電極６５のシールド部６５ｂが電極Ｃに対するシールドとして働き、Ｅ点よりも上部の共通電極Ａとの静電結合を防ぐため、Ｅ点よりも高い液面レベルでは一定の容量値を保つ。

検出回路では、液面レベル測定電極の静電容量Ｃ_A-Bを、ＣＶ（容量−電圧）変換やＣＦ（容量−周波数）変換等の手法で取得して、基準となる液体（例えば、Ｌ２）で求めた近似式を用いて液面レベルを算出する。

また、誘電率測定電極の静電容量Ｃ_A-Cを同様の方法で取得し、基準となる液体の静電容量値を予め記憶させ、誘電率測定電極で測定している液体の静電容量との比を算出する。液体の誘電率（例えば、Ｌ１）が基準となる液体（例えば、Ｌ２）の誘電率より低い場合、誘電率補正をしないと、液面レベルは実際よりも高い値が算出されてしまうが、誘電率測定電極による静電容量値により容量比を求め、誘電率補正後の実際の液面レベルを求めることができる。

以上説明したように、本発明によれば、以下の効果を奏する。
（１）液面レベルセンサの端子は３本で済むため、従来より配線が容易である。
（２）スルーホールを必要としないため、ラミネート工程が簡略化できる。
（３）精度良く誘電率センサの出力が得られ、液面レベルが底部付近まで測定できる。
（４）誘電率測定用電極６４を挟んで対向する電極６２及び電極６５がシールド電極として働くため、液面レベルの変化によって誘電率センサの静電容量が変化しないため、誘電率補正の計算が容易である。

以上の通り、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。かかる変形、応用によってもなお本発明の静電容量式液面レベルセンサの構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇にふくまれるものである。

例えば、上述の実施形態では、第２のセンサ部において、第１の電極６２は櫛歯部６２ｃを有し、第５の電極６５はシールド部６５ｂを有しているが、第１の電極６２は、櫛歯部６２ｃに代えてシールド部６５ｂと同一形状のシールド部を有し、第５の電極６５は、シールド部６５ｂに代えて櫛歯部６２ｃと同一形状の櫛歯部を有するようにしてもよい。この場合は、第１の電極６２のシールド部が第２のセンサ部の上面側になるように配置される。

また、センサ電極６０の第１のセンサ部６０ａである液面レベルセンサ領域において、電極６５は、帯状部６５ａの側端部に電極６２の櫛歯部６２ｂと同様の櫛歯部を設けてもよい。

また、センサ電極６０の第２のセンサ部６０ｂである誘電率センサ領域において、電極の表面積を大きくするために、電極６４は櫛歯部６４ｂが設けられているが、さらに表面積を大きくするために、例えば、櫛歯部６４ｂに代えて、電極６５のシールド部６５ｂと同様の形状でより小さいサイズの電極部を設けてもよい。また、電極６２及び電極６５が共通接続される場合は、電極６４の櫛歯部６４ｂと電極６５のシールド部６５ｂとの間でも液体の誘電率を測定することができるため、電極６２の櫛歯部６２ｃの全部または一部を削除してもよい。

また、センサ電極６０は、上述の実施形態では、その全体が保持具３０で保持されているが、自立性を保つことが可能な硬さがある場合は、支持部材で一部を支持してもよく、または、液体タンクの内壁に直接取り付けるようにしてもよい。

３０ 保持具
３０ａ 第１の保持部
３０ｂ 第２の保持部
６０ センサ電極
６０ａ 第１のセンサ部
６０ｂ 第２のセンサ部
６１ 絶縁体（支持体）
６２ 電極（第１の電極）
６３ 電極（第２の電極）
６４ 電極（第３の電極）
６５ 電極（第４の電極）

Claims (4)

1. 細長の板状の第１のセンサ部と該第１のセンサ部の一方の端部から直交する方向に延設された板状の第２のセンサ部とを有するセンサ電極からなり、前記第１のセンサ部の長手方向が液面に対して垂直かつ前記第２のセンサ部が液面に対して下方になるように配置されて使用される静電容量式液面レベルセンサであって、
   前記第１のセンサ部は、細長の支持体の長手方向に、帯状の第１及び第２の電極が互いに所定間隔をおいて並列に配置され、かつ帯状の第３及び第４の電極が、前記第１の電極上に、前記第３の電極を挟んで前記第１の電極と前記第４の電極が対向するように、互いに絶縁状態で積層配置されると共に、前記第３の電極が、前記第１及び第４の電極よりも小さい幅を有して前記第１及び第４の電極の幅方向のほぼ中央に配置され、
   前記第２のセンサ部は、前記第１のセンサ部から直交する方向に延設された前記支持体に前記第１のセンサ部から直交する方向に延長された前記第１、第３及び第４の電極が配置され、
   前記第２のセンサ部における前記第１及び第４の電極のうちの一方は、前記第３の電極とほぼ同じ幅に形成され、他方は前記第２のセンサ部の上面側に配置されており、
   前記第１及び第４の電極を共通接続したときの液面高さに応じて変化する前記第１及び第４の電極と前記第２の電極間の静電容量で液面レベルを検出すると共に、前記第１及び第４の電極と前記第３の電極間の静電容量で前記液体の誘電率を検出する
   ことを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
2. 請求項１記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
   共通接続された前記第１及び第４の電極を接地電位に接続し、シールド電極とした
   ことを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
3. 請求項１または２記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
   前記第２のセンサ部における前記第４の電極の幅は、前記第１のセンサ部における前記第４の電極の幅よりも大きく形成されている
   ことを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
   前記センサ電極が可撓性を有することを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。

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