JP3772027B2 - 静電容量型検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容器や流通配管内の各種液体や粉粒体などの被検出誘電体を外部から静電容量的に検出するための静電容量型検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の静電容量型検出装置としては、接地状態にある前記容器や流通配管の外側に検出電極を装着し、この検出電極に抵抗を介して矩形波電圧を対地間で印加し、前記抵抗と前記容器や流通配管中の被検出誘電体とを経由して対地間で高周波電流が流れる際の対地間で生じる静電容量とによって形成されるＲＣ回路による前記検出電極での矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れに基づいて検出信号を出力するようにしたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかして、上記構成の従来の静電容量型検出装置では、容器内の被検出誘電体のレベルが検出電極の検出レベルよりも下がった状態や流通配管中に被検出誘電体が流通していない状態であれば、本来は、前記検出電極の対地間静電容量が極減してＲＣ回路が閉成されず、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに時間的遅れが生じなくなり、検出信号が出力されなくなる筈であるが、前記容器や流通配管の内面に、水垢などの汚れ、結露、氷結、あるいは被検出誘電体が強粘性物質である場合の層状の残留付着などが生じている状況では、前記容器や流通配管の内面に高周波回路的に接地状態にある誘電体層が存在することになる結果、当該誘電体層を介して検出電極を経由するＲＣ回路が対地間で閉成され、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに時間的遅れが生じ、検出信号が出力されてしまう。
【０００４】
即ち、容器や流通配管の外側から内部の液体や粉粒体を検出する従来のこの種の静電容量型検出装置は、誤動作が生じ易くて信頼性が低いため、検出対象の被検出誘電体の性状や、容器や配管内部の定期的清掃などの保守面で、相当の好条件が満たされなければ実用に供し得ないものであった。
【０００５】
また、上記のような従来の静電容量型検出装置は、被検出誘電体の対地間の静電容量に基づいて当該被検出誘電体を検出するものであるから、当該被検出誘電体が容器や流通配管を介して高周波回路的に接地状態にあることが条件であり、そして検出装置に使用する電源も、商用電源を直流変換して使用するなど、一方の電極が高周波回路的に接地されている必要がある。
【０００６】
従って、空気中に浮遊状態にある物体、例えば非導電性材料から成るコンベヤベルト上で搬送される物体（誘電体）や、プレス機から排出されて非導電性材料から成るシュート上を滑動する物体（誘電体）を従来の静電容量型検出装置で検出することはできないし、乾電池などを電源として利用することも実用上できなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の目的は、従来のこの種の静電容量型検出装置の最大の問題点である、容器内面や配管内面の汚れや結露、氷結などによる誤動作を解消し、信頼性の高い静電容量型検出装置を提供することにあって、その手段を後述する実施形態の参照符号を付して示すと、被検出誘電体１６との間に非導電性隔壁（囲壁１７ａや被覆層２２など）を隔てて配設された検出電極３に抵抗７を介して矩形波電圧を印荷し、前記抵抗７と被検出誘電体１６を経由して対地間で高周波電流が流れる際の対地間で生じる静電容量とによって形成されるＲＣ回路による前記検出電極３での矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れに基づいて検出信号を出力するようにした静電容量型検出装置であって、前記検出電極３に印荷される矩形波電圧と同位相且つ同周波数の矩形波電圧を印荷される第二電極４を備えており、この第二電極４の電位により、前記隔壁に沿って層状に存在する誘電体１８を経由するＲＣ回路を遮断する構成となっている。
【０００８】
上記構成の本発明装置を実施するについて、前記検出電極３における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れを判定するための比較回路１１に抵抗器（可変抵抗器１０）を介して基準矩形波電圧を供給するようにし、前記抵抗器（可変抵抗器１０）を経由した後の矩形波電圧を利用して前記第二電極４に印荷する矩形波電圧を得るように構成することができる。また、前記検出電極３と前記第二電極４とは、非導電性材料から構成された基材２，２８ａに、前記第二電極４が検出電極３の周囲を取り囲むように設けることができる。
【０００９】
さらに、容器または流通配管の囲壁を貫通して内側に差し込まれた状態に装着される検出器２０を、非導電性材料から成り且つ内部に被検出誘電体が侵入しない構造の棒状体（円筒体２１とその外側の被覆層２２から成る）に、その周面に露出しない状態で環状の前記検出電極３と環状の前記第二電極４とを、検出電極３が前記棒状体の先端側に位置するように略同心状に並列内装して構成することができる。
【００１０】
本発明の第二の目的は、従来のこの種の静電容量型検出装置では検出することができなかった物体、即ち、空気中に浮遊する状態の物体（誘電体）でも確実に検出し得る静電容量型検出装置を提供することにあって、その手段を同様に説明すると、前記第二電極４を備えた本発明装置において、前記検出電極３に印荷される矩形波電圧と逆位相且つ同周波数の矩形波電圧を印荷される第三電極５が付加され、この第三電極５は、前記第二電極４に対し検出電極３のある側とは反対側に配設されたもので、当該第三電極５の電位で被検出誘電体を検出電極３の電位と逆位相に付勢して、検出電極３における矩形波電圧に立ち上がり立ち下がりの時間的遅れが生じるように構成されている。
【００１１】
前記第三電極５を備えた本発明装置を実施するについて、前記検出電極３、前記第二電極４、及び前記第三電極５は、非導電性材料から構成された基材２に、前記第二電極４と第三電極５とが検出電極３の周囲を取り囲むように設けることができる。また、比較的小径の容器または流通配管の外側に装着する検出器２５の場合は、前記第二電極４は前記検出電極３の周囲を取り囲む環状に形成し、前記第三電極５は、前記検出電極３のある側とは反対側に配設することができる。
【００１２】
さらに、容器または流通配管の囲壁２３ａを貫通して内側に差し込まれた状態に装着される検出器２０の場合は、非導電性材料から成り且つ内部に被検出誘電体が侵入しない構造の棒状体（円筒体２１とその外側の被覆層２２から成る）に、その周面に露出しない状態でそれぞれ環状の前記検出電極３、前記第二電極４、及び前記第三電極５を、この順番に前記棒状体の先端側から略同心状態で並列内装して構成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適実施形態を添付図に基づいて説明すると、図１及び図２において、１は検出器であって、非導電性材料から成る基材２の片面に検出電極３、第二電極４、及び第三電極５が、検出電極３を中央にしてその外側を無端リング状の第二電極４が取り囲み、そしてさらにその外側を無端リング状の第三電極５が取り囲むように、例えばプリント配線方法などにより形成されている。
【００１４】
図１に示すように、前記検出器１の検出電極３は、矩形波電圧発生回路６の互いに逆位相の矩形波電圧を出力する２つの出力端子の内の一方の出力端子６ａに抵抗器７を介して接続されるとともに、位相反転／波形整形回路８の入力端子８ａに接続されている。前記矩形波電圧発生回路６の他方の出力端子６ｂは、位相反転／波形整形回路９の入力端子９ａに可変抵抗器１０を介して接続され、当該位相反転／波形整形回路９の出力端子９ｂは、比較回路１１の３つの入力端子１１ａ〜１１ｃの内、入力端子１１ａに接続されて、当該比較回路１１に基準矩形波電圧を印荷する。
【００１５】
比較回路１１は、３つの入力端子１１ａ〜１１ｃの電位が全てＬレベルになっている間のみ、出力端子１１ｄの電位がＨレベルからＬレベルに切り替わるように、ダイオードマトリックス回路で構成されたもので、その入力端子１１ｂにおいて前記位相反転／波形整形回路８の出力端子８ｂと接続されるとともに、入力端子１１ｃにおいて前記矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａに接続され、位相反転／波形整形回路９から与えられる基準矩形波電圧と位相反転／波形整形回路８から与えられる矩形波電圧とを比較して、前記検出電極３における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間遅れを検出し、その出力端子１１ｄに時間遅れ検出信号を出力する。１２は、前記比較回路１１の出力端子１１ｄに接続される入力端子１２ａと、次段の出力回路１３の入力端子１３ａに接続される出力端子１２ｂとを備えたオンオフ信号発生回路であって、前記比較回路１１からの時間遅れ検出信号に基づいてオンオフ信号を次段の出力回路１３に供給する。出力回路１３は、前記オンオフ信号発生回路１２からのオンオフ信号に基づいて外部出力端子１３ｂの電位を切り換えるもので、接地端子１３ｃとの間に所定の直流電圧が印荷される電源端子１３ｄを備えている。
【００１６】
第二電極４には、位相反転／波形整形回路１４の出力端子１４ｂが接続され、この位相反転／波形整形回路１４の入力端子１４ａは、前記位相反転／波形整形回路９の入力端子９ａに接続され、可変抵抗器１０の影響を受けた矩形波電圧が印荷されるようになっている。また、第三電極５には、位相反転／波形整形回路１５の出力端子１５ｂが接続され、この位相反転／波形整形回路１５の入力端子１５ａは、前記矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａに接続されている。
【００１７】
以上のように構成された検出装置の検出器１は、例えば図２Ａに示すように、水などの被検出誘電体１６が収容される容器（タンク）１７の非導電性材料から構成された囲壁１７ａの外側に、前記被検出誘電体１７の有無を検出するレベルに検出電極３が位置するように適当な手段で貼付して使用することができる。図３及び図４は、この使用状態での各回路の出力乃至は入力の電圧波形を示すもので、図３−列(1) は、検出電極３に対応する検出レベルに被検出誘電体１６が存在しない場合、図３−列(2) は、検出電極３に対応する検出レベルに被検出誘電体１６が存在する場合、図４−列(1) は、図２Ｂに示すように検出電極３に対応する検出レベルに被検出誘電体１６は存在しないが、囲壁１７ａの内面に水垢や結露、氷結などによる誘電体層１８が形成されている場合を示している。
【００１８】
しかして検出電極３には、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａから、図３−行Ａに示す矩形波電圧が抵抗器７を介して印荷される。一方、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ｂから、図３−行Ｂに示すように前記検出電極３に印荷される矩形波電圧（図３−行Ａ）に対し１８０度位相が異なった同周波数の矩形波電圧が出力され、これが可変抵抗器１０を経由することにより、図３−行Ｄに示すように立ち上がり立ち下がりに若干の時間を要した状態で、位相反転／波形整形回路９の入力端子９ａに供給される。従って、当該位相反転／波形整形回路９の出力端子９ｂ（比較回路１１の入力端子１１ａ）での矩形波電圧の波形は、図３−行Ｆに示すように、位相が１８０度反転されて、図３−行Ａに示す矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａの出力波形（検出電極３に印荷される矩形波電圧の波形）と同位相になるが、当該図３−行Ａに示す矩形波電圧よりも立ち上がり立ち下がりが時間ｔだけ遅れた矩形波となる。
【００１９】
可変抵抗器１０を経由した矩形波電圧は、前記位相反転／波形整形回路９と同一の働きをする位相反転／波形整形回路１４にも供給されるので、第二電極４に印荷される矩形波電圧、即ち、位相反転／波形整形回路１４の出力端子１４ｂでの矩形波電圧の波形は、比較回路１１の入力端子１１ａに入力される矩形波電圧（図３−行Ｆ）と同一の波形になる。このことから明らかなように、位相反転／波形整形回路９の出力端子９ｂと第二電極４とを接続して、前記位相反転／波形整形回路１４を省くことも可能である。
【００２０】
また、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａから出力される矩形波電圧（図３−行Ａ）は、位相反転／波形整形回路１５を経由して第三電極５に印荷されるので、この第三電極５に印荷される矩形波電圧、即ち、位相反転／波形整形回路１５の出力端子１５ｂの矩形波電圧は、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａから出力される矩形波電圧（図３−行Ａ）に対し１８０度位相が異なった同周波数の矩形波電圧となり、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ｂから出力される矩形波電圧（図３−行Ｂ）と同一波形のものとなる。このことから明らかなように、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ｂと第三電極５とを接続して、前記位相反転／波形整形回路１５を省くことも可能である。
【００２１】
以上の回路構成から明らかなように、検出電極３に印荷される矩形波電圧に対して、周囲の第二電極４には同位相で同周波数の矩形波電圧が印荷され、そしてさらにその外側の第三電極５には逆位相で同周波数の矩形波電圧が印荷されている。従って、図２Ａに示すように、検出電極３の内側に、第二電極４の電位の影響を受ける深さ（囲壁１７ａに対し直角方向）を越える深さで水などの誘電率の高い被検出誘電体１６が存在するときで且つ、容器１７が高周波回路的に接地されている一般的な状態にあるときは、高周波回路的に接地された大容量の被検出誘電体１６が第三電極５の電位の影響を受けることは実質的になく、従って、第三電極５の有る無しに関係なく、検出電極３は、第二電極４の電位の影響を受けずに当該容器１７内の被検出誘電体１６を介して高周波回路的に接地され、対地間で高周波電流が流れることになる。
【００２２】
換言すれば、容器１７内に収容されている被検出誘電体１６のレベルが検出電極３の検出レベルよりも低いときは、第二電極４や第三電極５の有る無しに関係なく、検出電極３に印荷される矩形波電圧により高周波電流が流れることはないので、図３−列(1) 行Ｅに示すように、比較回路１１の入力端子１１ｂには、単に、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａにおける矩形波電圧（図３−列(1) 行Ｃ）の逆位相の矩形波電圧が供給されることになり、その立ち上がり立ち下がりに時間的遅れは生じていない。従って、比較回路１１の入力端子１１ｃに供給される矩形波電圧（図３６−列(1) 行Ｂ）に基づいて、入力端子１１ａに供給される矩形波電圧（図３−列(1) 行Ｆ）と入力端子１１ｂに供給される矩形波電圧（図３−列(1) 行Ｅ）とを比較回路１１において比較した結果、３入力の全ての矩形波電圧が何れもＬレベルになることはないので、その出力端子１１ｄの電位は、図３−列(1) 行Ｉに示すようにＨレベルのままであり、出力回路１３の入力端子１３ａ（オンオフ信号発生回路１２の出力端子１２ｂ）及び外部出力端子１３ｂの電位は、図３−列(1) 行Ｊ，行Ｋに示すようにＨレベルのままである。
【００２３】
これに対して、先に説明したように、容器１７内に収容されている被検出誘電体１６のレベルが検出電極３の検出レベルよりも高いときで且つ、容器１７が高周波回路的に接地されている一般的な状態にあるときは、第二電極４や第三電極５の有る無しに関係なく、検出電極３に印荷される矩形波電圧により、抵抗器７、検出電極３、及び被検出誘電体１６を経由して高周波電流が流れるので、図３−列(2) 行Ｃに示すように、位相反転／波形整形回路８の入力端子８ａにおける矩形波電圧（検出電極３における矩形波電圧）は、その立ち上がり立ち下がり時に、先に説明した可変抵抗器１０による遅れ時間ｔよりも大きな時間Ｔの遅れが発生する。
【００２４】
従って、比較回路１１の入力端子１１ｂには、時間Ｔだけ立ち上がり立ち下がりが遅れた矩形波電圧（図３−列(2) 行Ｅ）が供給されるので、図３−列(2) 行Ａ，行Ｅ，行Ｆの矩形波電圧波形から明らかなように、比較回路１１の入力端子１１ａの矩形波電圧の立ち下がりから入力端子１１ｂの矩形波電圧の立ち上がりまでの間、比較回路１１の３入力の全ての矩形波電圧が何れもＬレベルになり、その間だけ出力端子１１ｄの電位は、図３−列(2) 行Ｉに示すようにＬレベルとなり、パルス信号が出力される。この結果、オンオフ信号発生回路１２の出力端子１２ｂ（出力回路１３の入力端子１３ａ）及び外部出力端子１３ｂの電位は、図３−列(2) 行Ｊ，行Ｋに示すように、前記パルス信号の立ち上がり時点でＨレベルからＬレベルに切り換えられ、当該外部出力端子１３ｂの電位の変化を利用して、接続された適当な外部制御手段などを介して検出電極３の検出レベルに被検出誘電体１６が存在することを検知できる。
【００２５】
次に、図２Ｂに示すように、検出電極３の検出レベルに被検出誘電体１６は存在しないが、容器１７の囲壁１７ａの内面に水垢や結露、氷結などによる誘電体層１８が形成され且つ当該容器１７を介して誘電体層１８が高周波回路的に接地されている場合を説明すると、この誘電体層１８は厚さが最大数ミリメートルと薄いので、第二電極４の電位の影響を確実に受けることになり、検出電極３の周囲に、当該検出電極３と同位相の電位に付勢された領域を形成して、検出電極が前記誘電体層１８を介して対地間で高周波回路的につながるのを抑制する。
【００２６】
即ち、図４−列(1) 行Ｃに示すように、前記誘電体層１８を通じて検出電極３が対地間で高周波回路的に接続されるので、抵抗器７、検出電極３、及び誘電体層１８を通じて高周波電流が流れて、検出電極３に印荷される矩形波電圧（位相反転／波形整形回路８の入力端子８ａの矩形波電圧）には、その立ち上がり立ち下がりに時間遅れが発生するが、第二電極４に印荷される同位相の矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｇ）の電位で誘電体層１８が付勢される結果、検出電極３における矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｃ）の立ち上がり立ち下がりの時間遅れが、第二電極４に印荷される同位相の矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｇ）の立ち上がり立ち下がり時点で強制的に解消され、同時点で検出電極３における矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｃ）の立ち上がり立ち下がりが完了する。
【００２７】
従って、比較回路１１の入力端子１１ｂに供給される矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｅ）には、その立ち上がり立ち下がりに若干の時間遅れが生じるが、この遅れ時間は、第二電極４に印荷される矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｇ）の立ち上がり立ち下がりに生じている遅れ時間、即ち、比較回路１１の入力端子１１ａに供給される矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｆ）の立ち上がり立ち下がりに生じる、可変抵抗器１０による遅れ時間ｔと等しいため、結果的には、図４−列(1) 行Ａ，行Ｅ，行Ｆに示すように、比較回路１１における３入力の全てがＬレベルになることはなく、検出電極３の検出レベルに被検出誘電体１６が存在しないときと同様に、出力回路１３の外部出力端子１３ｂの電位が切り替えられることはない。即ち、誘電体層１８は検出されない。
【００２８】
次に、被検出誘電体１６が高周波回路的に接地されていない状態、例えば図２Ｃに示すように、非導電性材料から成る隔壁（シュートやコンベヤベルトなど）１９の上を板状などの被検出誘電体１６が断続的に移動する設備において、この被検出誘電体１６を検出するために、検出位置で前記隔壁１９の下側に検出器１が取り付けられている場合では、前記隔壁１９上を移動する被検出誘電体１６は高周波回路的には接地されていないため、検出器１の真上を通過するとき、第三電極５の電位（検出電極３の電位とは逆位相の電位）によって付勢される。この場合、被検出誘電体１６の厚さ（隔壁１９に対し直角方向の厚さ）が第二電極４の電位が影響する深さ（隔壁１９に対し直角方向の深さ）よりも大きいことが条件となる。
【００２９】
上記の場合、被検出誘電体１６が検出器１の真上を通過するとき、当該被検出誘電体１６は、検出電極３の電位とは逆位相の第三電極５の矩形波電圧を受けてその電位に付勢されるので、図４−列(2) 行Ｃに示すように、検出電極３に印荷される矩形波電圧（位相判定／波形整形回路８の入力端子８ａでの矩形波電圧）の立ち上がり立ち下がり時に逆位相の第三電極５の電位が重畳されて、２倍低い電位から立ち上がるかまたは、２倍高い電位から立ち下がることになる。換言すれば、被検出誘電体１６に対する検出電極３による充放電電圧が２倍になるため、検出電極３に印荷される矩形波電圧（位相判定／波形整形回路８の入力端子８ａでの矩形波電圧）の立ち上がり立ち下がりの完了までの遅れ時間Ｔ’が、先に説明した可変抵抗器１０による遅れ時間ｔよりも大きくなる。
【００３０】
従って、比較回路１１の入力端子１１ｂには、時間Ｔ’だけ立ち上がり立ち下がりが遅れた矩形波電圧（図４−列(2) 行Ｅ）が供給されるので、図４−列(2) 行Ａ，行Ｅ，行Ｆの矩形波電圧波形から明らかなように、比較回路１１の入力端子１１ａの矩形波電圧の立ち下がりから入力端子１１ｂの矩形波電圧の立ち上がりまでの間、比較回路１１の３入力の全ての矩形波電圧が何れもＬレベルになり、その間だけ出力端子１１ｄの電位は、図４−列(2) 行Ｉに示すようにＬレベルとなり、パルス信号が出力される。この結果、図３−列(2) において説明した通り、出力回路１３の外部出力端子１３ｂの電位が、図４−列(2) 行Ｋに示すように、前記パルス信号の立ち上がり時点でＨレベルからＬレベルに切り換えられ、当該外部出力端子１３ｂの電位の変化を利用して、接続された適当な外部制御手段などを介して検出器１の位置を通過する被検出誘電体１６を隔壁１９の下側から検知することができる。
【００３１】
この場合にも、検出器１の真上で隔壁１９の上面に汚れなどによる薄い誘電体層が形成されたとしても、図４−列(1) に基づいて説明した第二電極４の作用により、被検出誘電体１６が通過していないにもかかわらず検出信号が出力されるというような誤動作は生じない。
【００３２】
なお、上記実施形態における各回路部品は、３つの電極３〜５を備えた検出器１と一体に組み込むこともできるし、検出器１とは別のケーシング内に内装することもできる。また、検出器１を独立させるときは、非導電性材料から成る基材２を可撓性のあるシートから構成して、各電極３〜５を含めて検出器１の全体に可撓性を与えることにより、検出器１を配管の外側面など、曲面上にも貼付することが可能になる。勿論、配管や容器の外側面の曲面に沿って湾曲した基材２を使用して検出器１を構成することもできる。
【００３３】
さらに、金属などの導電性材料から構成された容器（タンク）や流通配管にも使用できる検出装置とするときは、例えば、図５に示すような棒状検出器２０を使用することができる。この棒状検出器２０は、合成樹脂やガラスなどの非導電性材料から成る円筒体２１の周面に前記検出電極３、第二電極４、及び第三電極５を、円筒体２１の先端からこの順番に並列するように、同心環状に形成し、その外側から円筒体２１の全面を覆うように、合成樹脂やガラスなどの非導電性材料から成る被覆層２２を形成し、円筒体２１の基部には、容器など２３の囲壁２３ａに設けられた貫通ねじ孔２４に螺嵌する螺軸部２１ａと、囲壁２３ａの外側に突出する頭部２１ｂとを形成したものである。勿論、合成樹脂やガラスなどの非導電性材料から成る先端が閉じた円筒体の内面に環状の各電極３〜５を形成して構成することも可能である。各電極３〜５に対する配線３ａ〜５ａは、円筒体２１の内部を経由して頭部２１ｂから外に導き出される。また、この頭部２１ｂを、各回路部品が内装されるケーシングに構成して、棒状検出器２０を一体に備えた検出装置とすることもできる。
【００３４】
また、比較的小径の流通配管や容器に使用する場合は、図６及び図７に示すような検出器２５を使用することができる。この検出器２５は、流通配管など２６を挟み込むことができるようにヒンジ２７により開閉自在に連結された２つの横断面円弧形の非導電性材料から成る基材２８ａ，２８ｂの内面に、前記各電極３〜５を形成したものであり、検出電極３は、一方の基材２８ａの内面中央に配設され、第二電極４は、当該基材２８ａの内面で前記検出電極３を取り囲むように環状に配設され、第三電極５は、他方の基材２８ｂの内面で前記検出電極３に対面するように配設されている。なお２９ａ，２９ｂは、両基材２８ａ，２８ｂを流通配管など２６の検出位置に巻き付けるように装着したときに互いに係合する係止具である。
【００３５】
上記構成の棒状検出器２０や巻装型検出器２５においても、先に説明した平板状の検出器１を容器や配管の外側面に装着した場合と同様に、棒状検出器２０が容器など２３内の収容または流通している被検出誘電体に浸っているとき、または巻装型検出器２５の装着レベルにおいて流通配管など２６の内部に被検出誘電体が存在するときは、検出電極３に印荷される矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間遅れを利用して、当該被検出誘電体の検知出力を得ることができ、当該棒状検出器２０や巻装型検出器２５の位置に被検出誘電体が無いにもかかわらず、当該棒状検出器２０の外周面に付着するかまたは流通配管など２６の内面に付着する汚れなどの誘電体層によって検知出力が生じることは、検出電極３を取り囲む環状の第二電極４により防止することができる。さらに、前記容器など２３や流通配管など２６が高周波回路的に接地されない状態、例えば前記容器など２３や流通配管など２６が空気層（発泡合成樹脂製の断熱材などを含む）を介して設置されていたり、空中に吊り下げられている状態にある場合でも、前記平板状の検出器１が外側面に装着された容器１７や流通配管の場合も同様であるが、第三電極５の働きにより、検出電極３による被検出誘電体の検知作用を所期通りに確実に行わせ得る。
【００３６】
なお、以上の実施形態の説明から明らかなように、被検出誘電体を収容または流通させる容器や配管などが高周波回路的に確実に接地される場合、勿論、検出装置に使用される電源として、商用交流電源をＡＣ／ＤＣ変換アダプターにより直流変換して使用する場合などであるが、第三電極５は省くことができる。換言すれば、第三電極５は本発明に必須のものではない。しかして、当該第三電極５を併用するときは、図６及び図７に示した巻装型検出器２５の構成からも明らかなように、検出電極３から見て第二電極４の外側に第三電極５があることは条件となるが、第二電極４を取り囲む環状のものである必要はない。また、第二電極４は、検出電極３の周囲を取り囲む環状のものである必要はあるが、完全に閉じた環状である必要はなく、一部分が分断されたＣの字形のものであっても良い。
【００３７】
なお、被検出誘電体の存在により検出電極３に印荷される矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに生じる遅れ時間Ｔが、被検出誘電体の性状や検出電極３と被検出誘電体との間の非導電性隔壁（容器囲壁１７ａなど）の材質などにより変化するが、可変抵抗器１０は、前記遅れ時間Ｔよりも比較回路１１の入力端子１１ａ及び第二電極４に加えられる矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの遅れ時間ｔが小さくなるように抵抗値が調整される。しかしながら、予想される遅れ時間Ｔの最小値よりも遅れ時間ｔが小さくなれば良いのであるから、前記可変抵抗器１０に代えて、固定抵抗器を使用することもできる。
【００３８】
また、第二電極４に加える矩形波電圧の電圧を小さくすることにより、図２Ｂに示すように容器囲壁１７ａなど、被検出誘電体と検出電極３との間の非導電性隔壁の内面の汚れなどの誘電体層１８を、被検出誘電体が存在する場合と同様に、検出電極３における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間遅れにより検出してしまうことになる。換言すれば、第二電極４に加える矩形波電圧の電圧を調整可能にするとともに、その印荷電圧値を読み取れるように構成すれば、被検出誘電体が存在しないことが明らかである状況において、第二電極４に加える矩形波電圧の電圧を調整し、検知信号が出力されたときの電圧値から前記汚れなどの誘電体層１８の厚みを容器などの外部から判別することも可能になる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように実施し得る本発明の静電容量型検出装置では、被検出誘電体は検出位置に存在しないが、検出電極の内側の非導電性隔壁の内面に沿って汚れなどの誘電体層が存在する場合、検出電極に印荷される矩形波電圧と同位相且つ同周波数の矩形波電圧を印荷される第二電極の電位により、前記汚れなどの誘電体層を経由するＲＣ回路を遮断することができるので、前記非導電性隔壁の内面に形成される汚れなどの誘電体層を検出電極により検出してしまうことがない。
【００４０】
即ち、本発明の静電容量型検出装置によれば、容器や流通配管の内面の汚れや結露、氷結などにより誤動作することなく、検出電極が対応する検出位置に被検出誘電体が存在するか否かを容器や流通配管の外部から精度良く検出することができるので、被検出誘電体の性状や、容器や流通配管の内部の定期的清掃などの保守作業に影響されない、信頼性の高い静電容量型検出装置として活用することができる。
【００４１】
なお、請求項２に記載の構成によれば、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れを判定するための比較回路に抵抗器、例えば可変抵抗器を介して基準矩形波電圧を供給するようにした静電容量型検出装置において、検出対象の被検出誘電体の性状や被検出誘電体と検出電極との間の隔壁の厚さや材質などに応じて前記抵抗器の抵抗値が調整されても、第二電極に印荷される矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりのタイミングを、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れを判定するタイミングに同期させることができるので、汚れなどの誘電体層を検出させないという第二電極の所期の機能を常に精度良く発揮させることができる。
【００４２】
また、請求項３に記載の構成によれば、非導電性材料から構成された容器または流通配管の外側に貼付するなどの簡単な取り付け方法で使用することができ、しかも、当該容器などの内面の汚れによる誤動作なく確実に内部の被検出誘電体の有無を検出する検出装置として活用することができる。さらに請求項４に記載の構成によれば、金属製の容器や流通配管の内部の被検出誘電体も、当該容器または流通配管の囲壁を貫通させて内側に差し込む形式の棒状の検出器により、当該棒状検出器の周面の汚れなどによる誤動作なく確実に検出することができる。
【００４３】
請求項５に記載の構成によれば、被検出誘電体が高周波回路的に接地状態になくとも、当該被検出誘電体を確実に検出することができる。従って、空気中に浮遊状態にある物体、例えば非導電性材料から成るコンベヤベルト上で搬送される物体（誘電体）や、プレス機から排出されて非導電性材料から成るシュート上を滑動する物体（誘電体）を、静電容量的に検出し得る検出装置として活用することができる。また、この結果、電源に乾電池などの二次電池を活用することが容易になる。
【００４４】
上記のように、高周波回路的に接地状態にならない被検出誘電体をも検出できる検出装置として実施する場合、請求項６〜８に記載の構成により、各電極を備えた検出器を、被検出誘電体の収容容器や流通配管の外側に取り付けて使用する場合、あるいは前記のように断続的に移動通過する被検出誘電体を案内する非導電性隔壁の下側に取り付けて使用する場合、若しくは金属製容器や流通配管の内部に差し込んで使用する場合などに好適なものとして、活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 装置全体の回路図である。
【図２】 Ａ図は検出レベルに被検出誘電体の有る状態を示す要部の縦断側面図、Ｂ図は検出レベルに被検出誘電体が無く、汚れなどの誘電体層が有る状態を示す要部の縦断側面図、Ｃ図は別の使用方法を示す一部縦断側面図である。
【図３】 検出レベルに被検出誘電体の有る状態と無い状態での各端子の電圧波形を説明する図である。
【図４】 検出レベルに被検出誘電体が無く、汚れなどの誘電体層が有る状態と、空中の被検出誘電体を検出する状態での各端子の電圧波形を説明する図である。
【図５】 棒状検出器の使用状態を示す縦断側面図である。
【図６】 巻装型検出器の使用状態を示す横断平面図である。
【図７】 同巻装型検出器の展開状態を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 平板状の検出器
２ 非導電性材料から成る基材
３ 検出電極
４ 第二電極
５ 第三電極
６ 矩形波電圧発生回路
７ 抵抗器
８ 位相反転／波形整形回路
９ 位相反転／波形整形回路
１０ 可変抵抗器
１１ 比較回路
１２ オンオフ信号発生回路
１３ 出力回路
１４ 位相反転／波形整形回路
１５ 位相反転／波形整形回路
１６ 被検出誘電体
１７ 容器
１７ａ 非導電性材料から成る囲壁
１８ 汚れなどの誘電体層
１９ シュートやコンベヤベルトなどの非導電性材料から成る隔壁
２０ 棒状検出器
２１ 非導電性材料から成る円筒体
２２ 非導電性材料から成る被覆層
２５ 巻装型検出器
２７ ヒンジ
２８ａ 非導電性材料から成る基材
２８ｂ 非導電性材料から成る基材
【発明の属する技術分野】
本発明は、容器や流通配管内の各種液体や粉粒体などの被検出誘電体を外部から静電容量的に検出するための静電容量型検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の静電容量型検出装置としては、接地状態にある前記容器や流通配管の外側に検出電極を装着し、この検出電極に抵抗を介して矩形波電圧を対地間で印加し、前記抵抗と前記容器や流通配管中の被検出誘電体とを経由して対地間で高周波電流が流れる際の対地間で生じる静電容量とによって形成されるＲＣ回路による前記検出電極での矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れに基づいて検出信号を出力するようにしたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかして、上記構成の従来の静電容量型検出装置では、容器内の被検出誘電体のレベルが検出電極の検出レベルよりも下がった状態や流通配管中に被検出誘電体が流通していない状態であれば、本来は、前記検出電極の対地間静電容量が極減してＲＣ回路が閉成されず、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに時間的遅れが生じなくなり、検出信号が出力されなくなる筈であるが、前記容器や流通配管の内面に、水垢などの汚れ、結露、氷結、あるいは被検出誘電体が強粘性物質である場合の層状の残留付着などが生じている状況では、前記容器や流通配管の内面に高周波回路的に接地状態にある誘電体層が存在することになる結果、当該誘電体層を介して検出電極を経由するＲＣ回路が対地間で閉成され、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに時間的遅れが生じ、検出信号が出力されてしまう。
【０００４】
即ち、容器や流通配管の外側から内部の液体や粉粒体を検出する従来のこの種の静電容量型検出装置は、誤動作が生じ易くて信頼性が低いため、検出対象の被検出誘電体の性状や、容器や配管内部の定期的清掃などの保守面で、相当の好条件が満たされなければ実用に供し得ないものであった。
【０００５】
また、上記のような従来の静電容量型検出装置は、被検出誘電体の対地間の静電容量に基づいて当該被検出誘電体を検出するものであるから、当該被検出誘電体が容器や流通配管を介して高周波回路的に接地状態にあることが条件であり、そして検出装置に使用する電源も、商用電源を直流変換して使用するなど、一方の電極が高周波回路的に接地されている必要がある。
【０００６】
従って、空気中に浮遊状態にある物体、例えば非導電性材料から成るコンベヤベルト上で搬送される物体（誘電体）や、プレス機から排出されて非導電性材料から成るシュート上を滑動する物体（誘電体）を従来の静電容量型検出装置で検出することはできないし、乾電池などを電源として利用することも実用上できなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の目的は、従来のこの種の静電容量型検出装置の最大の問題点である、容器内面や配管内面の汚れや結露、氷結などによる誤動作を解消し、信頼性の高い静電容量型検出装置を提供することにあって、その手段を後述する実施形態の参照符号を付して示すと、被検出誘電体１６との間に非導電性隔壁（囲壁１７ａや被覆層２２など）を隔てて配設された検出電極３に抵抗７を介して矩形波電圧を印荷し、前記抵抗７と被検出誘電体１６を経由して対地間で高周波電流が流れる際の対地間で生じる静電容量とによって形成されるＲＣ回路による前記検出電極３での矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れに基づいて検出信号を出力するようにした静電容量型検出装置であって、前記検出電極３に印荷される矩形波電圧と同位相且つ同周波数の矩形波電圧を印荷される第二電極４を備えており、この第二電極４の電位により、前記隔壁に沿って層状に存在する誘電体１８を経由するＲＣ回路を遮断する構成となっている。
【０００８】
上記構成の本発明装置を実施するについて、前記検出電極３における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れを判定するための比較回路１１に抵抗器（可変抵抗器１０）を介して基準矩形波電圧を供給するようにし、前記抵抗器（可変抵抗器１０）を経由した後の矩形波電圧を利用して前記第二電極４に印荷する矩形波電圧を得るように構成することができる。また、前記検出電極３と前記第二電極４とは、非導電性材料から構成された基材２，２８ａに、前記第二電極４が検出電極３の周囲を取り囲むように設けることができる。
【０００９】
さらに、容器または流通配管の囲壁を貫通して内側に差し込まれた状態に装着される検出器２０を、非導電性材料から成り且つ内部に被検出誘電体が侵入しない構造の棒状体（円筒体２１とその外側の被覆層２２から成る）に、その周面に露出しない状態で環状の前記検出電極３と環状の前記第二電極４とを、検出電極３が前記棒状体の先端側に位置するように略同心状に並列内装して構成することができる。
【００１０】
本発明の第二の目的は、従来のこの種の静電容量型検出装置では検出することができなかった物体、即ち、空気中に浮遊する状態の物体（誘電体）でも確実に検出し得る静電容量型検出装置を提供することにあって、その手段を同様に説明すると、前記第二電極４を備えた本発明装置において、前記検出電極３に印荷される矩形波電圧と逆位相且つ同周波数の矩形波電圧を印荷される第三電極５が付加され、この第三電極５は、前記第二電極４に対し検出電極３のある側とは反対側に配設されたもので、当該第三電極５の電位で被検出誘電体を検出電極３の電位と逆位相に付勢して、検出電極３における矩形波電圧に立ち上がり立ち下がりの時間的遅れが生じるように構成されている。
【００１１】
前記第三電極５を備えた本発明装置を実施するについて、前記検出電極３、前記第二電極４、及び前記第三電極５は、非導電性材料から構成された基材２に、前記第二電極４と第三電極５とが検出電極３の周囲を取り囲むように設けることができる。また、比較的小径の容器または流通配管の外側に装着する検出器２５の場合は、前記第二電極４は前記検出電極３の周囲を取り囲む環状に形成し、前記第三電極５は、前記検出電極３のある側とは反対側に配設することができる。
【００１２】
さらに、容器または流通配管の囲壁２３ａを貫通して内側に差し込まれた状態に装着される検出器２０の場合は、非導電性材料から成り且つ内部に被検出誘電体が侵入しない構造の棒状体（円筒体２１とその外側の被覆層２２から成る）に、その周面に露出しない状態でそれぞれ環状の前記検出電極３、前記第二電極４、及び前記第三電極５を、この順番に前記棒状体の先端側から略同心状態で並列内装して構成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適実施形態を添付図に基づいて説明すると、図１及び図２において、１は検出器であって、非導電性材料から成る基材２の片面に検出電極３、第二電極４、及び第三電極５が、検出電極３を中央にしてその外側を無端リング状の第二電極４が取り囲み、そしてさらにその外側を無端リング状の第三電極５が取り囲むように、例えばプリント配線方法などにより形成されている。
【００１４】
図１に示すように、前記検出器１の検出電極３は、矩形波電圧発生回路６の互いに逆位相の矩形波電圧を出力する２つの出力端子の内の一方の出力端子６ａに抵抗器７を介して接続されるとともに、位相反転／波形整形回路８の入力端子８ａに接続されている。前記矩形波電圧発生回路６の他方の出力端子６ｂは、位相反転／波形整形回路９の入力端子９ａに可変抵抗器１０を介して接続され、当該位相反転／波形整形回路９の出力端子９ｂは、比較回路１１の３つの入力端子１１ａ〜１１ｃの内、入力端子１１ａに接続されて、当該比較回路１１に基準矩形波電圧を印荷する。
【００１５】
比較回路１１は、３つの入力端子１１ａ〜１１ｃの電位が全てＬレベルになっている間のみ、出力端子１１ｄの電位がＨレベルからＬレベルに切り替わるように、ダイオードマトリックス回路で構成されたもので、その入力端子１１ｂにおいて前記位相反転／波形整形回路８の出力端子８ｂと接続されるとともに、入力端子１１ｃにおいて前記矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａに接続され、位相反転／波形整形回路９から与えられる基準矩形波電圧と位相反転／波形整形回路８から与えられる矩形波電圧とを比較して、前記検出電極３における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間遅れを検出し、その出力端子１１ｄに時間遅れ検出信号を出力する。１２は、前記比較回路１１の出力端子１１ｄに接続される入力端子１２ａと、次段の出力回路１３の入力端子１３ａに接続される出力端子１２ｂとを備えたオンオフ信号発生回路であって、前記比較回路１１からの時間遅れ検出信号に基づいてオンオフ信号を次段の出力回路１３に供給する。出力回路１３は、前記オンオフ信号発生回路１２からのオンオフ信号に基づいて外部出力端子１３ｂの電位を切り換えるもので、接地端子１３ｃとの間に所定の直流電圧が印荷される電源端子１３ｄを備えている。
【００１６】
第二電極４には、位相反転／波形整形回路１４の出力端子１４ｂが接続され、この位相反転／波形整形回路１４の入力端子１４ａは、前記位相反転／波形整形回路９の入力端子９ａに接続され、可変抵抗器１０の影響を受けた矩形波電圧が印荷されるようになっている。また、第三電極５には、位相反転／波形整形回路１５の出力端子１５ｂが接続され、この位相反転／波形整形回路１５の入力端子１５ａは、前記矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａに接続されている。
【００１７】
以上のように構成された検出装置の検出器１は、例えば図２Ａに示すように、水などの被検出誘電体１６が収容される容器（タンク）１７の非導電性材料から構成された囲壁１７ａの外側に、前記被検出誘電体１７の有無を検出するレベルに検出電極３が位置するように適当な手段で貼付して使用することができる。図３及び図４は、この使用状態での各回路の出力乃至は入力の電圧波形を示すもので、図３−列(1) は、検出電極３に対応する検出レベルに被検出誘電体１６が存在しない場合、図３−列(2) は、検出電極３に対応する検出レベルに被検出誘電体１６が存在する場合、図４−列(1) は、図２Ｂに示すように検出電極３に対応する検出レベルに被検出誘電体１６は存在しないが、囲壁１７ａの内面に水垢や結露、氷結などによる誘電体層１８が形成されている場合を示している。
【００１８】
しかして検出電極３には、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａから、図３−行Ａに示す矩形波電圧が抵抗器７を介して印荷される。一方、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ｂから、図３−行Ｂに示すように前記検出電極３に印荷される矩形波電圧（図３−行Ａ）に対し１８０度位相が異なった同周波数の矩形波電圧が出力され、これが可変抵抗器１０を経由することにより、図３−行Ｄに示すように立ち上がり立ち下がりに若干の時間を要した状態で、位相反転／波形整形回路９の入力端子９ａに供給される。従って、当該位相反転／波形整形回路９の出力端子９ｂ（比較回路１１の入力端子１１ａ）での矩形波電圧の波形は、図３−行Ｆに示すように、位相が１８０度反転されて、図３−行Ａに示す矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａの出力波形（検出電極３に印荷される矩形波電圧の波形）と同位相になるが、当該図３−行Ａに示す矩形波電圧よりも立ち上がり立ち下がりが時間ｔだけ遅れた矩形波となる。
【００１９】
可変抵抗器１０を経由した矩形波電圧は、前記位相反転／波形整形回路９と同一の働きをする位相反転／波形整形回路１４にも供給されるので、第二電極４に印荷される矩形波電圧、即ち、位相反転／波形整形回路１４の出力端子１４ｂでの矩形波電圧の波形は、比較回路１１の入力端子１１ａに入力される矩形波電圧（図３−行Ｆ）と同一の波形になる。このことから明らかなように、位相反転／波形整形回路９の出力端子９ｂと第二電極４とを接続して、前記位相反転／波形整形回路１４を省くことも可能である。
【００２０】
また、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａから出力される矩形波電圧（図３−行Ａ）は、位相反転／波形整形回路１５を経由して第三電極５に印荷されるので、この第三電極５に印荷される矩形波電圧、即ち、位相反転／波形整形回路１５の出力端子１５ｂの矩形波電圧は、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａから出力される矩形波電圧（図３−行Ａ）に対し１８０度位相が異なった同周波数の矩形波電圧となり、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ｂから出力される矩形波電圧（図３−行Ｂ）と同一波形のものとなる。このことから明らかなように、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ｂと第三電極５とを接続して、前記位相反転／波形整形回路１５を省くことも可能である。
【００２１】
以上の回路構成から明らかなように、検出電極３に印荷される矩形波電圧に対して、周囲の第二電極４には同位相で同周波数の矩形波電圧が印荷され、そしてさらにその外側の第三電極５には逆位相で同周波数の矩形波電圧が印荷されている。従って、図２Ａに示すように、検出電極３の内側に、第二電極４の電位の影響を受ける深さ（囲壁１７ａに対し直角方向）を越える深さで水などの誘電率の高い被検出誘電体１６が存在するときで且つ、容器１７が高周波回路的に接地されている一般的な状態にあるときは、高周波回路的に接地された大容量の被検出誘電体１６が第三電極５の電位の影響を受けることは実質的になく、従って、第三電極５の有る無しに関係なく、検出電極３は、第二電極４の電位の影響を受けずに当該容器１７内の被検出誘電体１６を介して高周波回路的に接地され、対地間で高周波電流が流れることになる。
【００２２】
換言すれば、容器１７内に収容されている被検出誘電体１６のレベルが検出電極３の検出レベルよりも低いときは、第二電極４や第三電極５の有る無しに関係なく、検出電極３に印荷される矩形波電圧により高周波電流が流れることはないので、図３−列(1) 行Ｅに示すように、比較回路１１の入力端子１１ｂには、単に、矩形波電圧発生回路６の出力端子６ａにおける矩形波電圧（図３−列(1) 行Ｃ）の逆位相の矩形波電圧が供給されることになり、その立ち上がり立ち下がりに時間的遅れは生じていない。従って、比較回路１１の入力端子１１ｃに供給される矩形波電圧（図３６−列(1) 行Ｂ）に基づいて、入力端子１１ａに供給される矩形波電圧（図３−列(1) 行Ｆ）と入力端子１１ｂに供給される矩形波電圧（図３−列(1) 行Ｅ）とを比較回路１１において比較した結果、３入力の全ての矩形波電圧が何れもＬレベルになることはないので、その出力端子１１ｄの電位は、図３−列(1) 行Ｉに示すようにＨレベルのままであり、出力回路１３の入力端子１３ａ（オンオフ信号発生回路１２の出力端子１２ｂ）及び外部出力端子１３ｂの電位は、図３−列(1) 行Ｊ，行Ｋに示すようにＨレベルのままである。
【００２３】
これに対して、先に説明したように、容器１７内に収容されている被検出誘電体１６のレベルが検出電極３の検出レベルよりも高いときで且つ、容器１７が高周波回路的に接地されている一般的な状態にあるときは、第二電極４や第三電極５の有る無しに関係なく、検出電極３に印荷される矩形波電圧により、抵抗器７、検出電極３、及び被検出誘電体１６を経由して高周波電流が流れるので、図３−列(2) 行Ｃに示すように、位相反転／波形整形回路８の入力端子８ａにおける矩形波電圧（検出電極３における矩形波電圧）は、その立ち上がり立ち下がり時に、先に説明した可変抵抗器１０による遅れ時間ｔよりも大きな時間Ｔの遅れが発生する。
【００２４】
従って、比較回路１１の入力端子１１ｂには、時間Ｔだけ立ち上がり立ち下がりが遅れた矩形波電圧（図３−列(2) 行Ｅ）が供給されるので、図３−列(2) 行Ａ，行Ｅ，行Ｆの矩形波電圧波形から明らかなように、比較回路１１の入力端子１１ａの矩形波電圧の立ち下がりから入力端子１１ｂの矩形波電圧の立ち上がりまでの間、比較回路１１の３入力の全ての矩形波電圧が何れもＬレベルになり、その間だけ出力端子１１ｄの電位は、図３−列(2) 行Ｉに示すようにＬレベルとなり、パルス信号が出力される。この結果、オンオフ信号発生回路１２の出力端子１２ｂ（出力回路１３の入力端子１３ａ）及び外部出力端子１３ｂの電位は、図３−列(2) 行Ｊ，行Ｋに示すように、前記パルス信号の立ち上がり時点でＨレベルからＬレベルに切り換えられ、当該外部出力端子１３ｂの電位の変化を利用して、接続された適当な外部制御手段などを介して検出電極３の検出レベルに被検出誘電体１６が存在することを検知できる。
【００２５】
次に、図２Ｂに示すように、検出電極３の検出レベルに被検出誘電体１６は存在しないが、容器１７の囲壁１７ａの内面に水垢や結露、氷結などによる誘電体層１８が形成され且つ当該容器１７を介して誘電体層１８が高周波回路的に接地されている場合を説明すると、この誘電体層１８は厚さが最大数ミリメートルと薄いので、第二電極４の電位の影響を確実に受けることになり、検出電極３の周囲に、当該検出電極３と同位相の電位に付勢された領域を形成して、検出電極が前記誘電体層１８を介して対地間で高周波回路的につながるのを抑制する。
【００２６】
即ち、図４−列(1) 行Ｃに示すように、前記誘電体層１８を通じて検出電極３が対地間で高周波回路的に接続されるので、抵抗器７、検出電極３、及び誘電体層１８を通じて高周波電流が流れて、検出電極３に印荷される矩形波電圧（位相反転／波形整形回路８の入力端子８ａの矩形波電圧）には、その立ち上がり立ち下がりに時間遅れが発生するが、第二電極４に印荷される同位相の矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｇ）の電位で誘電体層１８が付勢される結果、検出電極３における矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｃ）の立ち上がり立ち下がりの時間遅れが、第二電極４に印荷される同位相の矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｇ）の立ち上がり立ち下がり時点で強制的に解消され、同時点で検出電極３における矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｃ）の立ち上がり立ち下がりが完了する。
【００２７】
従って、比較回路１１の入力端子１１ｂに供給される矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｅ）には、その立ち上がり立ち下がりに若干の時間遅れが生じるが、この遅れ時間は、第二電極４に印荷される矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｇ）の立ち上がり立ち下がりに生じている遅れ時間、即ち、比較回路１１の入力端子１１ａに供給される矩形波電圧（図４−列(1) 行Ｆ）の立ち上がり立ち下がりに生じる、可変抵抗器１０による遅れ時間ｔと等しいため、結果的には、図４−列(1) 行Ａ，行Ｅ，行Ｆに示すように、比較回路１１における３入力の全てがＬレベルになることはなく、検出電極３の検出レベルに被検出誘電体１６が存在しないときと同様に、出力回路１３の外部出力端子１３ｂの電位が切り替えられることはない。即ち、誘電体層１８は検出されない。
【００２８】
次に、被検出誘電体１６が高周波回路的に接地されていない状態、例えば図２Ｃに示すように、非導電性材料から成る隔壁（シュートやコンベヤベルトなど）１９の上を板状などの被検出誘電体１６が断続的に移動する設備において、この被検出誘電体１６を検出するために、検出位置で前記隔壁１９の下側に検出器１が取り付けられている場合では、前記隔壁１９上を移動する被検出誘電体１６は高周波回路的には接地されていないため、検出器１の真上を通過するとき、第三電極５の電位（検出電極３の電位とは逆位相の電位）によって付勢される。この場合、被検出誘電体１６の厚さ（隔壁１９に対し直角方向の厚さ）が第二電極４の電位が影響する深さ（隔壁１９に対し直角方向の深さ）よりも大きいことが条件となる。
【００２９】
上記の場合、被検出誘電体１６が検出器１の真上を通過するとき、当該被検出誘電体１６は、検出電極３の電位とは逆位相の第三電極５の矩形波電圧を受けてその電位に付勢されるので、図４−列(2) 行Ｃに示すように、検出電極３に印荷される矩形波電圧（位相判定／波形整形回路８の入力端子８ａでの矩形波電圧）の立ち上がり立ち下がり時に逆位相の第三電極５の電位が重畳されて、２倍低い電位から立ち上がるかまたは、２倍高い電位から立ち下がることになる。換言すれば、被検出誘電体１６に対する検出電極３による充放電電圧が２倍になるため、検出電極３に印荷される矩形波電圧（位相判定／波形整形回路８の入力端子８ａでの矩形波電圧）の立ち上がり立ち下がりの完了までの遅れ時間Ｔ’が、先に説明した可変抵抗器１０による遅れ時間ｔよりも大きくなる。
【００３０】
従って、比較回路１１の入力端子１１ｂには、時間Ｔ’だけ立ち上がり立ち下がりが遅れた矩形波電圧（図４−列(2) 行Ｅ）が供給されるので、図４−列(2) 行Ａ，行Ｅ，行Ｆの矩形波電圧波形から明らかなように、比較回路１１の入力端子１１ａの矩形波電圧の立ち下がりから入力端子１１ｂの矩形波電圧の立ち上がりまでの間、比較回路１１の３入力の全ての矩形波電圧が何れもＬレベルになり、その間だけ出力端子１１ｄの電位は、図４−列(2) 行Ｉに示すようにＬレベルとなり、パルス信号が出力される。この結果、図３−列(2) において説明した通り、出力回路１３の外部出力端子１３ｂの電位が、図４−列(2) 行Ｋに示すように、前記パルス信号の立ち上がり時点でＨレベルからＬレベルに切り換えられ、当該外部出力端子１３ｂの電位の変化を利用して、接続された適当な外部制御手段などを介して検出器１の位置を通過する被検出誘電体１６を隔壁１９の下側から検知することができる。
【００３１】
この場合にも、検出器１の真上で隔壁１９の上面に汚れなどによる薄い誘電体層が形成されたとしても、図４−列(1) に基づいて説明した第二電極４の作用により、被検出誘電体１６が通過していないにもかかわらず検出信号が出力されるというような誤動作は生じない。
【００３２】
なお、上記実施形態における各回路部品は、３つの電極３〜５を備えた検出器１と一体に組み込むこともできるし、検出器１とは別のケーシング内に内装することもできる。また、検出器１を独立させるときは、非導電性材料から成る基材２を可撓性のあるシートから構成して、各電極３〜５を含めて検出器１の全体に可撓性を与えることにより、検出器１を配管の外側面など、曲面上にも貼付することが可能になる。勿論、配管や容器の外側面の曲面に沿って湾曲した基材２を使用して検出器１を構成することもできる。
【００３３】
さらに、金属などの導電性材料から構成された容器（タンク）や流通配管にも使用できる検出装置とするときは、例えば、図５に示すような棒状検出器２０を使用することができる。この棒状検出器２０は、合成樹脂やガラスなどの非導電性材料から成る円筒体２１の周面に前記検出電極３、第二電極４、及び第三電極５を、円筒体２１の先端からこの順番に並列するように、同心環状に形成し、その外側から円筒体２１の全面を覆うように、合成樹脂やガラスなどの非導電性材料から成る被覆層２２を形成し、円筒体２１の基部には、容器など２３の囲壁２３ａに設けられた貫通ねじ孔２４に螺嵌する螺軸部２１ａと、囲壁２３ａの外側に突出する頭部２１ｂとを形成したものである。勿論、合成樹脂やガラスなどの非導電性材料から成る先端が閉じた円筒体の内面に環状の各電極３〜５を形成して構成することも可能である。各電極３〜５に対する配線３ａ〜５ａは、円筒体２１の内部を経由して頭部２１ｂから外に導き出される。また、この頭部２１ｂを、各回路部品が内装されるケーシングに構成して、棒状検出器２０を一体に備えた検出装置とすることもできる。
【００３４】
また、比較的小径の流通配管や容器に使用する場合は、図６及び図７に示すような検出器２５を使用することができる。この検出器２５は、流通配管など２６を挟み込むことができるようにヒンジ２７により開閉自在に連結された２つの横断面円弧形の非導電性材料から成る基材２８ａ，２８ｂの内面に、前記各電極３〜５を形成したものであり、検出電極３は、一方の基材２８ａの内面中央に配設され、第二電極４は、当該基材２８ａの内面で前記検出電極３を取り囲むように環状に配設され、第三電極５は、他方の基材２８ｂの内面で前記検出電極３に対面するように配設されている。なお２９ａ，２９ｂは、両基材２８ａ，２８ｂを流通配管など２６の検出位置に巻き付けるように装着したときに互いに係合する係止具である。
【００３５】
上記構成の棒状検出器２０や巻装型検出器２５においても、先に説明した平板状の検出器１を容器や配管の外側面に装着した場合と同様に、棒状検出器２０が容器など２３内の収容または流通している被検出誘電体に浸っているとき、または巻装型検出器２５の装着レベルにおいて流通配管など２６の内部に被検出誘電体が存在するときは、検出電極３に印荷される矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間遅れを利用して、当該被検出誘電体の検知出力を得ることができ、当該棒状検出器２０や巻装型検出器２５の位置に被検出誘電体が無いにもかかわらず、当該棒状検出器２０の外周面に付着するかまたは流通配管など２６の内面に付着する汚れなどの誘電体層によって検知出力が生じることは、検出電極３を取り囲む環状の第二電極４により防止することができる。さらに、前記容器など２３や流通配管など２６が高周波回路的に接地されない状態、例えば前記容器など２３や流通配管など２６が空気層（発泡合成樹脂製の断熱材などを含む）を介して設置されていたり、空中に吊り下げられている状態にある場合でも、前記平板状の検出器１が外側面に装着された容器１７や流通配管の場合も同様であるが、第三電極５の働きにより、検出電極３による被検出誘電体の検知作用を所期通りに確実に行わせ得る。
【００３６】
なお、以上の実施形態の説明から明らかなように、被検出誘電体を収容または流通させる容器や配管などが高周波回路的に確実に接地される場合、勿論、検出装置に使用される電源として、商用交流電源をＡＣ／ＤＣ変換アダプターにより直流変換して使用する場合などであるが、第三電極５は省くことができる。換言すれば、第三電極５は本発明に必須のものではない。しかして、当該第三電極５を併用するときは、図６及び図７に示した巻装型検出器２５の構成からも明らかなように、検出電極３から見て第二電極４の外側に第三電極５があることは条件となるが、第二電極４を取り囲む環状のものである必要はない。また、第二電極４は、検出電極３の周囲を取り囲む環状のものである必要はあるが、完全に閉じた環状である必要はなく、一部分が分断されたＣの字形のものであっても良い。
【００３７】
なお、被検出誘電体の存在により検出電極３に印荷される矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに生じる遅れ時間Ｔが、被検出誘電体の性状や検出電極３と被検出誘電体との間の非導電性隔壁（容器囲壁１７ａなど）の材質などにより変化するが、可変抵抗器１０は、前記遅れ時間Ｔよりも比較回路１１の入力端子１１ａ及び第二電極４に加えられる矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの遅れ時間ｔが小さくなるように抵抗値が調整される。しかしながら、予想される遅れ時間Ｔの最小値よりも遅れ時間ｔが小さくなれば良いのであるから、前記可変抵抗器１０に代えて、固定抵抗器を使用することもできる。
【００３８】
また、第二電極４に加える矩形波電圧の電圧を小さくすることにより、図２Ｂに示すように容器囲壁１７ａなど、被検出誘電体と検出電極３との間の非導電性隔壁の内面の汚れなどの誘電体層１８を、被検出誘電体が存在する場合と同様に、検出電極３における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間遅れにより検出してしまうことになる。換言すれば、第二電極４に加える矩形波電圧の電圧を調整可能にするとともに、その印荷電圧値を読み取れるように構成すれば、被検出誘電体が存在しないことが明らかである状況において、第二電極４に加える矩形波電圧の電圧を調整し、検知信号が出力されたときの電圧値から前記汚れなどの誘電体層１８の厚みを容器などの外部から判別することも可能になる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように実施し得る本発明の静電容量型検出装置では、被検出誘電体は検出位置に存在しないが、検出電極の内側の非導電性隔壁の内面に沿って汚れなどの誘電体層が存在する場合、検出電極に印荷される矩形波電圧と同位相且つ同周波数の矩形波電圧を印荷される第二電極の電位により、前記汚れなどの誘電体層を経由するＲＣ回路を遮断することができるので、前記非導電性隔壁の内面に形成される汚れなどの誘電体層を検出電極により検出してしまうことがない。
【００４０】
即ち、本発明の静電容量型検出装置によれば、容器や流通配管の内面の汚れや結露、氷結などにより誤動作することなく、検出電極が対応する検出位置に被検出誘電体が存在するか否かを容器や流通配管の外部から精度良く検出することができるので、被検出誘電体の性状や、容器や流通配管の内部の定期的清掃などの保守作業に影響されない、信頼性の高い静電容量型検出装置として活用することができる。
【００４１】
なお、請求項２に記載の構成によれば、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れを判定するための比較回路に抵抗器、例えば可変抵抗器を介して基準矩形波電圧を供給するようにした静電容量型検出装置において、検出対象の被検出誘電体の性状や被検出誘電体と検出電極との間の隔壁の厚さや材質などに応じて前記抵抗器の抵抗値が調整されても、第二電極に印荷される矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりのタイミングを、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れを判定するタイミングに同期させることができるので、汚れなどの誘電体層を検出させないという第二電極の所期の機能を常に精度良く発揮させることができる。
【００４２】
また、請求項３に記載の構成によれば、非導電性材料から構成された容器または流通配管の外側に貼付するなどの簡単な取り付け方法で使用することができ、しかも、当該容器などの内面の汚れによる誤動作なく確実に内部の被検出誘電体の有無を検出する検出装置として活用することができる。さらに請求項４に記載の構成によれば、金属製の容器や流通配管の内部の被検出誘電体も、当該容器または流通配管の囲壁を貫通させて内側に差し込む形式の棒状の検出器により、当該棒状検出器の周面の汚れなどによる誤動作なく確実に検出することができる。
【００４３】
請求項５に記載の構成によれば、被検出誘電体が高周波回路的に接地状態になくとも、当該被検出誘電体を確実に検出することができる。従って、空気中に浮遊状態にある物体、例えば非導電性材料から成るコンベヤベルト上で搬送される物体（誘電体）や、プレス機から排出されて非導電性材料から成るシュート上を滑動する物体（誘電体）を、静電容量的に検出し得る検出装置として活用することができる。また、この結果、電源に乾電池などの二次電池を活用することが容易になる。
【００４４】
上記のように、高周波回路的に接地状態にならない被検出誘電体をも検出できる検出装置として実施する場合、請求項６〜８に記載の構成により、各電極を備えた検出器を、被検出誘電体の収容容器や流通配管の外側に取り付けて使用する場合、あるいは前記のように断続的に移動通過する被検出誘電体を案内する非導電性隔壁の下側に取り付けて使用する場合、若しくは金属製容器や流通配管の内部に差し込んで使用する場合などに好適なものとして、活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 装置全体の回路図である。
【図２】 Ａ図は検出レベルに被検出誘電体の有る状態を示す要部の縦断側面図、Ｂ図は検出レベルに被検出誘電体が無く、汚れなどの誘電体層が有る状態を示す要部の縦断側面図、Ｃ図は別の使用方法を示す一部縦断側面図である。
【図３】 検出レベルに被検出誘電体の有る状態と無い状態での各端子の電圧波形を説明する図である。
【図４】 検出レベルに被検出誘電体が無く、汚れなどの誘電体層が有る状態と、空中の被検出誘電体を検出する状態での各端子の電圧波形を説明する図である。
【図５】 棒状検出器の使用状態を示す縦断側面図である。
【図６】 巻装型検出器の使用状態を示す横断平面図である。
【図７】 同巻装型検出器の展開状態を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 平板状の検出器
２ 非導電性材料から成る基材
３ 検出電極
４ 第二電極
５ 第三電極
６ 矩形波電圧発生回路
７ 抵抗器
８ 位相反転／波形整形回路
９ 位相反転／波形整形回路
１０ 可変抵抗器
１１ 比較回路
１２ オンオフ信号発生回路
１３ 出力回路
１４ 位相反転／波形整形回路
１５ 位相反転／波形整形回路
１６ 被検出誘電体
１７ 容器
１７ａ 非導電性材料から成る囲壁
１８ 汚れなどの誘電体層
１９ シュートやコンベヤベルトなどの非導電性材料から成る隔壁
２０ 棒状検出器
２１ 非導電性材料から成る円筒体
２２ 非導電性材料から成る被覆層
２５ 巻装型検出器
２７ ヒンジ
２８ａ 非導電性材料から成る基材
２８ｂ 非導電性材料から成る基材
Claims (8)
- 被検出誘電体との間に非導電性隔壁を隔てて配設された検出電極に抵抗を介して矩形波電圧を印荷し、前記抵抗と被検出誘電体とを経由して対地間で高周波電流が流れる際の対地間で生じる静電容量とによって形成されるＲＣ回路による前記検出電極での矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れに基づいて検出信号を出力するようにした静電容量型検出装置であって、前記検出電極に印荷される矩形波電圧と同位相且つ同周波数の矩形波電圧を印荷される第二電極を備えており、この第二電極の電位により、前記隔壁に沿って層状に存在する誘電体を経由するＲＣ回路を遮断するようにした、静電容量型検出装置。
- 前記検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れを判定するための比較回路に抵抗器を介して基準矩形波電圧を供給するようにした静電容量型検出装置であって、前記抵抗器を経由した後の矩形波電圧を利用して前記第二電極に印荷する矩形波電圧を得るようにした、請求項１に記載の静電容量型検出装置。
- 非導電性材料から構成された基材に前記検出電極と前記第二電極とを設けたもので、前記第二電極は、前記検出電極の周囲を取り囲む環状に形成されている、請求項１または２に記載の静電容量型検出装置。
- 容器または流通配管の囲壁を貫通して内側に差し込まれた状態に装着される検出器を備え、当該検出器は、非導電性材料から成り且つ内部に被検出誘電体が侵入しない構造の棒状体に、その周面に露出しない状態で環状の前記検出電極と環状の前記第二電極とが、検出電極が前記棒状体の先端側に位置するように略同心状に並列内装されたものである、請求項１または２に記載の静電容量型検出装置。
- 前記検出電極に印荷される矩形波電圧と逆位相且つ同周波数の矩形波電圧を印荷される第三電極を備え、この第三電極は、前記第二電極に対し検出電極のある側とは反対側に配設されたもので、当該第三電極の電位で被検出誘電体を検出電極の電位と逆位相に付勢して、前記検出電極における矩形波電圧に立ち上がり立ち下がりの時間的遅れが生じるようにした、請求項１〜４の何れかに記載の静電容量型検出装置。
- 非導電性材料から構成された基材に前記検出電極、前記第二電極、及び前記第三電極を設けたもので、前記第二電極と第三電極とは、前記検出電極の周囲を取り囲む環状に形成されている、請求項５に記載の静電容量型検出装置。
- 前記第二電極は前記検出電極の周囲を取り囲む環状に形成され、前記第三電極は、容器または流通配管に対し前記検出電極のある側とは反対側に配設されている、請求項５に記載の静電容量型検出装置。
- 容器または流通配管の囲壁を貫通して内側に差し込まれた状態に装着される検出器を備え、当該検出器は、非導電性材料から成り且つ内部に被検出誘電体が侵入しない構造の棒状体に、その周面に露出しない状態でそれぞれ環状の前記検出電極、前記第二電極、及び前記第三電極が、この順番に前記棒状体の先端側から略同心状態で並列内装されたものである、請求項５に記載の静電容量型検出装置。
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