JP2015004561A

JP2015004561A - 静電容量式レベルセンサ

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Publication number: JP2015004561A
Application number: JP2013129269A
Authority: JP
Inventors: 慎平加藤; Shimpei Kato; 福原　聡明; Toshiaki Fukuhara; 聡明福原
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: JP6294600B2

Abstract

【課題】液位の変化及び温度の変化によらず誘電率をより正確に検出すると共に、構成の複雑化を抑制することが可能な静電容量式レベルセンサを提供する。
【解決手段】静電容量式レベルセンサ１は、タンク上下方向に沿って設けられた対向する電極１１ａ，１１ｂからなる液位検出部１１と、当該液位検出部１１の静電容量に応じて液面レベルを検出する検出回路２０と、液体の誘電率を検出すべくタンク底部に設けられた誘電率センサ１２ａと、タンク上下方向に沿って設けられ、タンク上部側に設けられる検出回路２０から誘電率センサ１２ａまでを接続する第１配線１２ｂと、検出回路２０からタンクの下方に向かって第１配線１２ｂと略平行に設けられた第２配線１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量式レベルセンサに関する。

従来、タンク内の液面レベルを検出する液面レベルセンサが提案されている。このような液面レベルセンサには、タンク上下方向に伸びる対向する一対の電極を備え、液面レベルに応じて一対の電極の静電容量が変化することを利用して液面レベルを検出する静電容量式レベルセンサが提案されている。

また、静電容量式レベルセンサでは、液体の誘電率を検出するために誘電率センサが設けられている。この誘電率センサは、タンク内の液体が少量であっても液体が浸漬されるようタンク底面に設置されている。しかし、静電容量に基づいて液面レベルを検出する検出回路がタンク上部側に設置されている場合、検出回路から誘電率センサが設けられるタンク底面まで配線を通す必要があり、配線自身も液位に応じて静電容量が変化することから、正確に誘電率を検出できなくなってしまう。

そこで、誘電率を正確に検出すべく参照電極の周囲をシールド電極とシールド層とで覆った静電容量式レベルセンサが提案されている。この静電容量式レベルセンサは、タンク上部から下方に向かって伸びる参照電極を設けると共に、この参照電極の先端（すなわち下部側）のみを露出させ、残部をシールド電極とシールド層とで覆う構成としている。これにより、露出する参照電極の先端と駆動電極とで容量素子を形成し、液体の誘電率を測定することとしている。

特開２００５−１７２７５７号公報

しかし、特許文献１に記載の静電容量式レベルセンサでは、参照電極の全周にシールド電極やシールド層を設けなければならず、構成が複雑となってしまう。さらに、参照電極の全周がシールド電極やシールド層で覆われる関係上、初期的に持つ静電容量が大きくなる。このため、基板の誘電率温度特性による静電容量の変化が大きくなり検出誤差が大きくなってしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、液位の変化及び温度の変化によらず誘電率をより正確に検出すると共に、構成の複雑化を抑制することが可能な静電容量式レベルセンサを提供することにある。

本発明の静電容量式レベルセンサは、タンク上下方向に沿って設けられた対向する電極からなる液位検出部と、前記タンク上部側に設けられ当該液位検出部の静電容量に応じて液面レベルを検出する検出回路とを備えた静電容量式レベルセンサであって、液体の誘電率を検出すべく前記タンク底部に設けられた誘電率センサと、前記タンク上下方向に沿って設けられ、前記検出回路から前記誘電率センサまでを接続する第１配線と、前記検出回路から前記タンクの下方に向かって前記第１配線と略平行に設けられた第２配線と、を備えることを特徴とする。

この静電容量式レベルセンサによれば、タンク上下方向に沿って設けられ、タンク上部側に設けられる検出回路から誘電率センサまでを接続する第１配線と、検出回路からタンクの下方に向かって第１配線と略平行に設けられた第２配線とを備えるため、第１配線を通じて誘電率センサの静電容量を検出し、この静電容量から第２配線による静電容量を差し引くことにより、第１配線の液位による静電容量の変化、及び、基板の温度による静電容量の変化をキャンセルすることとなる。よって、誘電率センサによる静電容量の検出精度を高めて、液体の誘電率をより正確にすることができる。また、キャンセルするにあたり第１配線に略平行に第２配線を設けるだけでよいことから、１つの電極の全周をシールド層やシールド電極で覆う必要がなく、構成の複雑化についても抑制することができる。従って、液位の変化及び温度の変化によらず誘電率をより正確に検出すると共に、構成の複雑化を抑制することができる。

また、本発明の静電容量式レベルセンサにおいて、前記液位検出部、前記第１配線及び前記第２配線を覆う絶縁部をさらに備え、前記第１配線及び前記第２配線を覆う前記絶縁部は、前記液位検出部を覆う絶縁部よりも厚く形成されていることが好ましい。

この静電容量式レベルセンサによれば、第１配線及び第２配線を覆う絶縁部は、液位検出部を覆う絶縁部よりも厚く形成されている。ここで、液位の傾き、及び不均一な結露や液濡れがあった場合には、第１配線と第２配線との静電容量が異なってしまいキャンセル効果が低減されてしまうが、絶縁部を厚くしておくことにより液位の傾き、及び不均一な結露や液濡れがあった場合における第１配線と第２配線との静電容量の差を少なくすることができる。従って、キャンセル効果の低下を抑制することができる。

また、本発明の静電容量式レベルセンサにおいて、前記第１配線及び前記第２配線の一方をグランド接続する信号切替部をさらに備え、前記第１配線と前記第２配線との間の距離は、前記第１配線及び前記第２配線と前記液位検出部との間の距離よりも短くされていることが好ましい。

この静電容量式レベルセンサによれば、第１配線及び第２配線の一方をグランド接続する信号切替部をさらに備え、第１配線と第２配線との間の距離は、第１配線及び第２配線と液位検出部との間の距離よりも短くされている。このため、計測に使用しない第１配線及び第２配線の一方をグランド接続することにより、第１配線と第２配線との静電結合が、第１配線及び第２配線と液位検出部の電極との静電結合よりも支配的となり、キャンセル効果の低下を抑制することができる。

本発明によれば、液位の変化及び温度の変化によらず誘電率をより正確に検出すると共に、構成の複雑化を抑制することが可能な静電容量式レベルセンサを提供することができる。

本発明の実施形態に係る静電容量式レベルセンサを示す構成図である。図１に示したＡ−Ａ断面図である。本実施形態に係る静電容量式レベルセンサの液位検出方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る静電容量式レベルセンサの等価回路を示す図である。液位と静電容量との相関を示す図である。液位が傾いた場合を示す概略図である。本実施形態に係る静電結合状態を示す概念図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下、実施形態に基づいて本発明を説明するが、本発明は該実施の形態に限られるものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る静電容量式レベルセンサを示す構成図である。図１に示すように、静電容量式レベルセンサ１は、タンク内の液面レベル（液位）を検出するものであって、センサ部１０と、検出回路２０とを備えている。センサ部１０は、液位に応じた信号を出力するものであって、液位検出部１１と、誘電率センサ部１２と、これらが形成される基板１３とを備えている。

液位検出部１１は、タンク上下方向に沿って設けられた駆動電極１１ａと、タンク上下方向に沿って設けられ駆動電極１１ａと対向して配置される測定電極１１ｂとを備えている。このうち、駆動電極１１ａには所定の駆動用の交流信号が入力される。また、駆動電極１１ａと測定電極１１ｂとは、図１に示すように互いに櫛歯形状とされており、互いの櫛歯が噛み合うように配置されている。

ここで、駆動電極１１ａと測定電極１１ｂとは互いに容量素子を形成することとなる。また、液体の誘電率は空気の誘電率よりも十分に大きい。このため、駆動電極１１ａと測定電極１１ｂとからなる容量素子の静電容量は液位が高くなるほど大きくなる。検出回路２０は、このような傾向からタンク内の液位を検出することとなる。

誘電率センサ部１２は、液体の誘電率を検出すべくタンク底部に設けられた誘電率センサ１２ａと、タンク上下方向に沿って設けられ、タンク上部側に設けられる検出回路２０から誘電率センサ１２ａまでを接続する第１配線１２ｂとを備えている。

誘電率センサ１２ａは、対向する電極によって構成され、図１に示すように基板１３が９０度に折り曲げられた折り曲げ部１３ａに設けられている。また、誘電率センサ１２ａの電極は、折り曲げ部１３ａに設けられることから、タンク上下方向と直行するタンク平面方向に沿って設けられることとなる。さらに、誘電率センサ１２ａの電極は、液位検出部１１と同様に互いに櫛歯形状とされており噛み合うように配置されている。

また、誘電率センサ１２ａを構成する一方の電極は、液位検出部１１の駆動電極１１ａと連続しており、所定の駆動用の交流信号が入力される。第１配線１２ｂは、誘電率センサ１２ａの他方の電極と検出回路２０とを接続するものであり、一端が他の配線等を介して検出回路２０と接続され、他端が誘電率センサ１２ａの他方の電極に接続されている。また、第１配線１２ｂは、液位検出部１１と一定の距離を隔てて略平行に配置されている。

検出回路２０は、静電容量計測部２１と、演算部２２とを備えている。静電容量計測部２１は、液位検出部１１及び誘電率センサ１２ａの静電容量を計測するものである。演算部２２は、これらの静電容量に基づいて、タンク内の液位を検出するものである。

より詳細に検出回路２０は、液位検出部１１の駆動電極１１ａ及び誘電率センサ１２ａの一方の電極に、所定の駆動用の交流信号を入力する。次いで、静電容量計測部２１は、誘電率センサ１２ａの静電容量を検出し、演算部２２は、誘電率センサ１２ａの静電容量から液体の誘電率を検出する。

次に、静電容量計測部２１は、液位検出部１１の静電容量を検出する。そして、演算部２２は、液体の誘電率と液位検出部１１の静電容量とからタンク内の液位を検出することとなる。

さらに、本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１は、センサ部１０に第２配線１４を備えている。第２配線１４は基板１３上に形成され、検出回路２０からタンクの下方に向かって第１配線１２ｂと略平行に隣接して設けられている。この第２配線１４の一端は他の配線等を介して検出回路２０と接続され、他端はタンクの底面近傍まで伸びており、その長さは第１配線１２ｂと略同一である。

図２は、図１に示したＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、第１配線１２ｂと第２配線１４との間の距離Ｌ１は、第１配線１２ｂ及び第２配線１４と液位検出部１１との間の距離Ｌ２，Ｌ３（より詳細には所定の駆動用の交流信号が入力される電極との距離であって本実施形態では駆動電極１１ａとの距離）よりも短くなっている。

さらに、本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１は、図１に示すように、検出回路２０に信号切替部２３を備えている。信号切替部２３は、第１配線１２ｂ及び第２配線１４の一方をグランド接続するものである。

また、図２に示すように、基板１３には液位検出部１１並びに第１及び第２配線１２ｂ，１４のパターンが形成され、このパターンを覆うように絶縁部１５が形成されている。また、図２からも明らかなように、第１配線１２ｂ及び第２配線１４を覆う絶縁部１５ａは、液位検出部１１を覆う絶縁部１５ｂよりも厚く形成されている。すなわち絶縁部１５ａは、基板平面に直交する方向に、絶縁部１５ｂよりも厚く形成されている。

次に、本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１の液位検出方法を詳細に説明する。図３は、本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１の液位検出方法を示すフローチャートである。まず、信号切替部２３は、第２配線１４をグランド接続する（Ｓ１）。

そして、静電容量計測部２１は誘電率センサ１２ａの静電容量を検出する（Ｓ２）。次いで、信号切替部２３は、第１配線１２ｂをグランド接続する（Ｓ３）。そして、静電容量計測部２１は、第２配線１４の静電容量を検出する（Ｓ４）。

その後、静電容量計測部２１は、ステップＳ２にて検出した静電容量から、ステップＳ４にて検出した静電容量を減算する（Ｓ５）。次いで、演算部２２は、ステップＳ５における静電容量から、液体の誘電率を演算する（Ｓ６）。

次に、静電容量計測部２１は、液位検出部１１の静電容量を検出し（Ｓ７）、演算部２２は、ステップＳ７にて検出した静電容量と、ステップＳ６にて演算した誘電率とに基づいて、液位を検出する（Ｓ８）。そして、図３に示す動作は終了することとなる。

次に、本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１の作用を説明する。本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１は上記構成且つ上記動作によって以下の作用を奏する。図４は、本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１の等価回路を示す図である。

図４に示すように静電容量に着目した等価回路は、検出回路２０に接続される複数のコンデンサＣ１〜Ｃ４によって構成されている。ここで、第１コンデンサＣ１は液位検出部１１に相当し、第２コンデンサＣ２は誘電率センサ１２ａに相当する。また、第２コンデンサＣ２と並列接続される第３コンデンサＣ３は第１配線１２ｂに相当し、第４コンデンサＣ４は第２配線１４に相当する。

この等価回路から明らかなように、図３のステップＳ２にて検出される静電容量は、実際には誘電率センサ１２ａの静電容量と第１配線１２ｂの静電容量との合算となってしまう。ここで、第１配線１２ｂの静電容量は液位変化や基板１３の温度変化に応じて変化してしまうため、誘電率センサ１２ａの静電容量を正確に検出することができず、液体の誘電率の検出精度低下を招いてしまう。

そこで、本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１では第２配線１４を備え、図３に示したステップＳ４において第２配線１４の静電容量を検出し、ステップＳ５においてステップＳ２にて検出した静電容量から減算することとしている。ここで、第１配線１２ｂの静電容量と第２配線１４の静電容量とは略同じと想定されることから、図４の等価回路に示すように、第２及び第３コンデンサＣ２，Ｃ３の静電容量の合算から第４コンデンサＣ４の静電容量を減算することにより、誘電率センサ１２ａの静電容量のみを計測することが可能となる。すなわち、図４に示す破線で囲まれる第３コンデンサＣ３の静電容量が第４コンデンサＣ４の静電容量によりキャンセルされることなり、誘電率センサ１２ａの静電容量のみを計測することが可能となる。よって、液位変化や基板１３の温度変化に左右されることなく、誘電率センサ１２ａの静電容量を正確に検出して、液体の誘電率の検出精度を高めることができる。

図５は、液位と静電容量との相関を示す図である。図５に示すように、第１配線１２ｂの静電容量は液位が高くなるのに応じて上昇する傾向にある（符号Ｃ３参照）。また、第１配線１２ｂの静電容量は基板１３の温度変化に応じて変化する傾向がある（符号Ｃ３’参照）。

このため、図５に示すように、誘電率センサ１２ａの静電容量を計測した場合には、上記の傾向が反映されて計測されることとなる。すなわち、誘電率センサ１２ａの静電容量を計測した場合、静電容量は液位が高くなるのに応じて上昇し（符号Ｃ２＋Ｃ３参照）、温度変化に応じて変化する傾向がある（符号Ｃ２＋Ｃ３’参照）。

しかし、上記したように、本実施形態では第２及び第３コンデンサＣ２，Ｃ３の静電容量の合算から第４コンデンサＣ４の静電容量を減算することにより、上記傾向による影響をキャンセルして誘電率センサ１２ａの静電容量のみを計測することができる。

さらに、本実施形態では以下の作用を奏する。図６は、液位が傾いた場合を示す概略図である。例えば図６に示すように液位が傾いた場合、第１配線１２ｂと第２配線１４との静電容量は異なることとなる。より詳細に第１配線の１２ｂの領域Ｒ１と第２配線１４の領域Ｒ２との静電容量は同じであるが、液位が傾いたことにより第１配線の１２ｂの領域Ｒ３と第２配線１４の領域Ｒ４とで静電容量が異なってしまう。しかし、第１配線１２ｂ及び第２配線１４を覆う絶縁部１５ａが、液位検出部１１を覆う絶縁部１５ｂよりも厚く形成されているため、静電容量の差を小さくすることができる。

具体的に静電容量に影響する電気力線の本数は、以下の式により表すことができる。

なお、Ｅは電気力線の本数（本／ｍ^２）であり、εは誘電率であり、ｒは距離（ｍ）であり、Ｑ（ｃ）は電荷である。

この式から明らかなように、電気力線の本数Ｅは距離ｒの二乗に反比例することとなる。すなわち、絶縁部１５ａを厚くすることで例えば第１配線１２ｂから領域Ｒ３の液体までの距離ｒ、及び、第２配線１４から領域Ｒ４の空気（気体）までの距離ｒを大きくすることができ、上記式からも明らかなように電気力線の本数Ｅの差を少なくすることができる。よって、第１配線の１２ｂの領域Ｒ３と第２配線１４の領域Ｒ４との静電容量の差を小さくして、キャンセル効果の低下を抑制することができる。

なお、上記は、液位の傾きに限らず、不均一な結露や液濡れの場合（例えば図６の符号Ｂに水滴が付着している場合）にも同様に、第１配線の１２ｂと第２配線１４との静電容量の差を小さくして、キャンセル効果の低下を抑制することができる。

加えて、本実施形態では以下の作用を奏する。図７は、本実施形態に係る静電結合状態を示す概念図である。本実施形態では図３のステップＳ１にて説明したように、第２配線１４をグランド接続する。このとき、静電結合状態は図７（ａ）に示すようになる。また、本実施形態では図３のステップＳ３にて説明したように、第１配線１２ｂをグランド接続する。このとき、静電結合状態は図７（ｂ）に示すようになる。

すなわち、第１配線１２ｂと第２配線１４とは隣接配置され、その間の距離Ｌ１は、第１配線１２ｂ及び第２配線１４と液位検出部１１との距離Ｌ２，Ｌ３（すなわち駆動電極１１ａとの距離Ｌ２，Ｌ３）よりも短くなっている。よって、第１配線１２ｂと第２配線１４との静電結合が、第１配線１２ｂ及び第２配線１４と液位検出部１１の駆動電極１１ａとの静電結合よりも支配的となり、キャンセル効果が低下してしまうことを防止することができる。

このようにして、本実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１によれば、タンク上下方向に沿って設けられ、タンク上部側に設けられる検出回路２０から誘電率センサ１２ａまでを接続する第１配線１２ｂと、検出回路２０からタンクの下方に向かって第１配線１２ｂと略平行に設けられた第２配線１４とを備えるため、第１配線１２ｂを通じて誘電率センサ１２ａの静電容量を検出し、この静電容量から第２配線１４による静電容量を差し引くことにより、第１配線１２ｂの液位による静電容量の変化、及び、基板１３の温度による静電容量の変化をキャンセルすることとなる。よって、誘電率センサ１２ａによる静電容量の検出精度を高めて、液体の誘電率をより正確にすることができる。また、キャンセルするにあたり第１配線１２ｂに略平行に第２配線１４を設けるだけでよいことから、１つの電極の全周をシールド層やシールド電極で覆う必要がなく、構成の複雑化についても抑制することができる。従って、液位の変化及び温度の変化によらず誘電率をより正確に検出すると共に、構成の複雑化を抑制することができる。

また、第１配線１２ｂ及び第２配線１４を覆う絶縁部１５ａは、液位検出部１１を覆う絶縁部１５ｂよりも厚く形成されている。ここで、液位の傾き、及び不均一な結露や液濡れがあった場合には、第１配線１２ｂと第２配線１４との静電容量が異なってしまいキャンセル効果が低減されてしまうが、絶縁部１５ａを厚くしておくことにより液位の傾き、及び不均一な結露や液濡れがあった場合における第１配線１２ｂと第２配線１４との静電容量の差を少なくすることができる。従って、キャンセル効果の低下を抑制することができる。

また、第１配線１２ｂ及び第２配線１４の一方をグランド接続する信号切替部２３をさらに備え、第１配線１２ｂと第２配線１４との間の距離Ｌ１は、第１配線１２ｂ及び第２配線１４と液位検出部１１との間の距離Ｌ２，Ｌ３よりも短くされている。このため、計測に使用しない第１配線１２ｂ及び第２配線１４の一方をグランド接続することにより、第１配線１２ｂと第２配線１４との静電結合が、第１配線１２ｂ及び第２配線１４と液位検出部１１の電極１１ａとの静電結合よりも支配的となり、キャンセル効果の低下を抑制することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、上記実施形態において第１配線１２ｂと第２配線１４との位置は逆となっていてもよいし、これら配線１２ｂ，１４と液位検出部１１との位置が逆となっていてもよい。また、液位検出部１１についても駆動電極１１ａと測定電極１１ｂとの位置が逆となっていてもよい。さらに、第１配線１２ｂと第２配線１４とは略平行に設けられていていればよく、完全に平行でなくともよい。加えて、第１配線１２ｂと第２配線１４とのいずれか一方をタンク上下方向にやや傾きを持って配置してもよい。

また、本実施形態において液位検出部１１、誘電率センサ１２ａ、第１配線１２ｂ、及び第２配線１４は、平面パターンの電極で構成されている。このため、電極の製造コストが抑えられ、静電容量式レベルセンサ１を一層安価に構成することができるが、特にこれに限らず、２層構造等になっていてもよい。

１…静電容量式レベルセンサ
１０…センサ部
１１…液位検出部
１１ａ…駆動電極
１１ｂ…測定電極
１２…誘電率センサ部
１２ａ…誘電率センサ
１２ｂ…第１配線
１３…基板
１３ａ…折り曲げ部
１４…第２配線
１５，１５ａ，１５ｂ…絶縁部
２０…検出回路
２１…静電容量測定部
２２…演算部
２３…信号切替部
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ
Ｌ１〜Ｌ３…距離

Claims

タンク上下方向に沿って設けられた対向する電極からなる液位検出部と、前記タンク上部側に設けられ当該液位検出部の静電容量に応じて液面レベルを検出する検出回路とを備えた静電容量式レベルセンサであって、
液体の誘電率を検出すべく前記タンク底部に設けられた誘電率センサと、
前記タンク上下方向に沿って設けられ、前記検出回路から前記誘電率センサまでを接続する第１配線と、
前記検出回路から前記タンクの下方に向かって前記第１配線と略平行に設けられた第２配線と、
を備えることを特徴とする静電容量式レベルセンサ。
前記液位検出部、前記第１配線及び前記第２配線を覆う絶縁部をさらに備え、
前記第１配線及び前記第２配線を覆う前記絶縁部は、前記液位検出部を覆う絶縁部よりも厚く形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式レベルセンサ。
前記第１配線及び前記第２配線の一方をグランド接続する信号切替部をさらに備え、
前記第１配線と前記第２配線との間の距離は、前記第１配線及び前記第２配線と前記液位検出部との間の距離よりも短くされている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の静電容量式レベルセンサ。