JP4116409B2

JP4116409B2 - 静電容量式センサ

Info

Publication number: JP4116409B2
Application number: JP2002350518A
Authority: JP
Inventors: 保良井上; 綾子宮脇; 暁勇森野
Original assignee: Nissei Electric Co Ltd
Current assignee: Nissei Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: JP2004184192A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電容量式センサに関し、更に詳しくは、電極間の静電容量を利用して液面レベルあるいは粉体量を検出するセンサ、特に純水や油等の非導電性液体の液面レベルを検出するのに適した静電容量式センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体の液面レベルを検出する導電式液面センサ（以下、単に“センサ”と称することがある）には、単芯または２芯以上の多芯ケーブルが利用されている。（特許文献１〜３参照）
ところが、このセンサでは、検出する液体の導電性を利用しているため、非導電性の純水や油等あるいは粉体の検出には適用できないという限界がある。また、電極部はカーボンに代表される導電剤を含む導電性樹脂部が被覆されていることから、電極部が検出液体に接液した際、カーボンが溶出してしまい、被検出液体の純度が劣化するという問題もあった。更には、このセンサでは電気を電極間を通じて検出液体またはその液体雰囲気に電気を流す方式であるので、引火性液体には使用不可という問題もあった。
そこで、この問題を解決する別の手法として、静電容量式液面センサが種々提案されてきた。その一例として、被検出パイプの外側に、外径の異なる同心状の円筒形導体を２個配置するとともに、円筒形導体を同軸ケーブルに接続した静電容量式液面センサが知られている。（特許文献４参照）
ところが、この静電容量式液面センサでは、パイプと円筒形導体からなる検出部とこれらに接続する同軸ケーブルが別体であるため、構成が複雑になるという欠点がある。また、検出方法が、１個の検出信号と同電位同波形の外部導体の２本構成で、センサ自身にはＧＮＤがなく、検出する液体を通じてＧＮＤとしているため、検出安定性に問題があった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−９９６９３号公報
【特許文献２】
特開平７−３２５０５６号公報
【特許文献３】
特開平１１−３０４５６５号公報
【特許文献４】
特開平７−２８０６２４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、上記の問題点を解消し、検出安定性に優れるとともに構成が簡単で生産性にも優れた安価な液面センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、液面センサの検出部に同軸ケーブルを利用し、なお且つ、該ケーブルを多層シールド構造にすることに着目した結果、従来の問題を容易に解消するに至った。
【０００６】
かくして、本発明によれば、中心導体を取り囲む絶縁層の周りに同心円状に配置された、少なくとも２層構造でその層間に絶縁層が介在する導電層が配置され、さらに該導電層の外周が絶縁性樹脂で被覆されてなる同軸ケーブルの該中心導体の一部及び該導電層の一部を露出させて電極を形成するとともに該電極を絶縁性樹脂で被覆したことを特徴とする静電容量式センサが提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、該部導電層として２層構造の金属編組層を適用した同軸ケーブルからなる液面センサの例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の液面センサの一例を示す一部破断縦断面図である。
図１において、（Ｓ）は液面センサ、（１）は同軸ケーブルであって、（２）は中心導体（中心電極）、（３）及び（４）は、金属編組層からなる導電層（外側電極）、（５）は中心導体（２）を取り囲む絶縁層、（６）は導電層（３）と（４）との間に介在する絶縁層、（７）は露出した中心導体の一部の長さ部分（Ｌ２）を被覆する絶縁性樹脂、（８）は露出した中心導体の他の一部の長さ部分（Ｌ１）及び導電層（４）を被覆する絶縁性樹脂、（９）は検出部、そして（１０）はシースである。
本発明の第一の特徴は、長尺の同軸ケーブル（１）の端末部を電極部としてそのまま利用し、電極部と外部検出回路（図示せず）とを接続するリード線とを一体化した点にある。こうすることにより、従来、電極部とリード線の２点構成であったものが、本発明では、同軸ケーブルのみの１点構成となり、構成が大幅に簡略化される。
次に、本発明の第二の特徴は、導電層として少なくとも２重構造でその層間に絶縁層を介在させて構成した導電層（図では、２重構造の金属編組層）を適用した点にある。このような構成とした理由は、次のとおりである。
従来のように２線式、即ち、中心導体と１層の導電層の簡易な構成では、中心導体と導電層のどちらか一方を検出信号、他方をアース（ＧＮＤ）とせざるを得ないため、検出信号の位相の“ずれ”が検出できなかった。この結果、同軸ケーブル自体の浮遊容量に起因して、あるいは同軸ケーブル部が屈曲したりあるいは外部物体がケーブルに接触した際に、中心導体と導電層間の静電容量が微妙に変化し、誤動作が発生していたのである。
これに対して、本発明では、上記の誤動作を防止するため、外側電極を構成する導電層の内側に位置する導電層（３）にも、中心導体（２）と同相の検出信号を印加しながらセンサの外部に設けた検出回路（図示せず）にて、位相のずれを検出するという、いわゆる３線式という電気的な検出方法を採用することにより、上記の誤動作の発生を確実に防止しているのである。このとき、外側に位置する導電層（４）はアース電極（ＧＮＤ）として利用される。
さらに、本発明で肝要なこととして、中心電極である中心導体（２）と、外側電極を構成する導電層（３）及び（４）との位置関係が挙げられる。
図からも明らかなように、本発明の代表的な液面センサにあっては、検出端（ここでは、Ｌ１＋Ｌ２の部分）を除くケーブル（１）の周囲に、層間に絶縁層が介在する導電層（３）及び（４）からなる２層構造の導電層が同心円状に配置されている。したがって、中心導体（２）の先端は、これら導電層、特に外側の導電層（４）の先端より突出した構造になる。このときの突出長さ（Ｌ１）は、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であるのが好ましい。この理由は、突出量が少ないと中心導体（２）の外表面に十分な量の電荷が蓄積されにくくなり、検出に支障をきたす懸念があるためである。
更に、もう１つ肝要な点は、内側に位置する導電層（３）の先端と外側に位置する導電層（４）の先端との位置関係であり、この場合、内側に位置する導電層（３）の先端が外側に位置する導電層（４）の先端より、（Ｌ２）にして０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下で引込んだ配置となっているのが好ましい。これは、導電層（３）の先端が導電層（４）の先端より飛び出していると、前者の導電層（３）にノイズが乗り易くなり、同時にその外表面への電荷形成が阻害され易くなるからである。
本発明において、中心導体（２）としては、同軸ケーブル（１）の芯線（導体）をそのまま利用すればよく、その形態は単線または撚線のいずれでもよく、撚線の場合には撚線のサイズは素線、素線径０．０３ｍｍ〜０．３ｍｍの素線５本〜３０本を撚り合わせて外径０．１５ｍｍ〜１ｍｍとしたものが望ましい。また、単線自体の材質は、軟銅線、銅被鋼線、ステンレス線、あるいは銅合金線等から適宜選択すればよい。
次に、外側電極を構成する（３）及び（４）の導電層は、上記の編組層の他に、横巻層、金属箔層、あるいは金属蒸着フイルム層等から構成されるが、シールド性の点から編組層が好ましい。編組の条件としては、金属素線径０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍ、打数８〜２４、持数３〜１０、編組密度５０％〜１００％が望ましい。また、編組の材質としては、中心導体と同様の材質でよく、軟銅線、ステンレス線、あるいは銅合金線等から適宜選択すればよい。さらに、シールド性、形状保持性向上のため、編組に金属をコーティングしてもよい。
一方、（５）〜（６）の絶縁層の材質、および（７）〜（８）の絶縁性樹脂については、当然のことながら耐熱性と耐薬品性を兼備した樹脂が採用され、なかでもフッ素樹脂が好ましく用いられる。フッ素樹脂の具体例としては、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等が挙げられる。その際、絶縁層（５）〜（６）は押出被覆にて、また絶縁性樹脂（７）〜（８）の部分はインジェクションモールド又はプレスモールドにより形成されるのが有利である。
シース（１０）に関しては、絶縁層（５）〜（６）あるいは絶縁性樹脂（７）〜（８）に適用される樹脂と同じフッ素樹脂でも、また別の樹脂のいずれでもよいが、加工性および封止性の点から絶縁層（５）〜（６）あるいは絶縁性樹脂（７）〜（８）と同じフッ素樹脂が望ましい。このシース（１０）用として供されるフッ素樹脂以外のものとしては、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリオレフィン（ＰＯ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリウレタン（ＰＵ）等の樹脂が使用できる。
シース（１０）と絶縁性樹脂（８）間は接合点（Ｐ）で熱融着させる必要がある。このとき、熱融着も、外周の一部でなく、全周に亘っていることが望ましい。なお、中心導体（２）を取り囲む絶縁層（５）の厚さは絶縁性、外径を小さくするため、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍが望ましく、また導電層（３）と（４）との間に介在する絶縁層（６）の厚さは０．１ｍｍ〜２ｍｍが望ましい。また、検出部（９）の先端部（Ｌ１＋Ｌ３）を除く側面部は厚さ０．２ｍｍ以上のフッ素樹脂でモールドされていることが望ましい。一方、検出性能上から、検出部（９）の先端部については、中心導体（２）の先端が該センサ端部より長さ（Ｌ３）にして１ｍｍ〜３ｍｍの範囲で内側に位置するようにフッ素樹脂でモールドされていることが望ましい。
また、以上の説明では、絶縁性樹脂（７）と（８）とが別体であるが、これらは一体であってもよいことは言うまでもない。
以上に述べた液面センサ（Ｓ）を実際に機能させるにあたっては、液面センサ（Ｓ）に、中心導体（２）と外側に位置する導電層（４）との間の静電容量の変化に応じた発振波形で発振する駆動回路（図示せず）を接続するとともに、液面センサ自身（Ｓ）の浮遊容量の影響を抑制するため、内側に位置する導電層（３）に中心導体（２）と同相の検出信号を印加する。この際、外側に位置する導電層（４）はアース電極（ＧＮＤ）として利用されることは前述のとおりである。
更に、上記の態様では、導電層である金属編組層は２層構造の例を説明したが、本発明は、これに限定されることなく、３重以上としてもよい。この場合には、最外層の導電層をシールド層として利用し、耐ノイズを向上させたり、２相以上の検出信号を印加して、多点液面レベルセンサへの展開が可能となる。
また、検出信号、同相信号、ＧＮＤの位置に関しても、必ずしも、中心導体（２）に検出信号を印加する必要はなく、逆に中心導体をＧＮＤとし、外側の導電層に同相信号を印加したりする等各種の応用・展開が可能であることは言うまでもない。
【０００８】
以下に、本発明の液面センサの具体例を図面に基づき説明する。
（Ａ）同軸ケーブルの作成
素線径が０．１４ｍｍのＳＵＳ線７本を同心撚りして得た撚線（外径：０．４２ｍｍ；全長：５０２ｍｍ）を中心導体(２)とし、その周りに絶縁層(５)としてＥＴＦＥ樹脂を０．２５ｍｍの厚さで押出被覆した。次いで、該絶縁層(５)の周りに線径が０．０５ｍｍのスズメッキ軟銅線を用いて編組構造の導体層(３)を形成し、さらに該導体層(３)の周りに外部絶縁層(６)としてＥＴＦＥ樹脂を０．２５ｍｍの厚さで押出被覆した。最後に、該絶縁体層(６)の周りに線径が０．０８ｍｍのスズメッキ軟銅線を用いて編組構造の導体層(４)を形成することにより、外径が２．５７ｍｍ、長さ５００ｍｍの２層の導体層（３）及び（４）を含む同軸ケーブルを用意した。
（Ｂ）同軸ケーブルの端末加工
上記（Ａ）で作成した同軸ケーブルの一方の端部に端末加工を施して、中心導体(１)の先端が導電層(４)の先端より２ｍｍ（Ｌ１）突出し、且つ導電層(４)の先端が導電層(３)の先端より２ｍｍ（Ｌ２）突出している端末加工された同軸ケーブルを作成した。
（Ｃ）センサ先端部のモールド
上記（Ｂ）で作成した端末加工同軸ケーブルの絶縁性樹脂（７）の部分（Ｌ２）はＥＴＦＥ樹脂を熱融着（プレスモールド）によりモールドして形成した。続いて、絶縁性樹脂（８）の部分については、ＥＴＦＥ樹脂を用い、接合点（Ｐ）から導電層（４）の先端に至る４５ｍｍの距離に亘って該導電層（４）の周囲に０．２ｍｍの厚さに熱融着（プレスモールド）によりモールドし、他方センサ先端部については、中心導体(２)の先端がセンサ先端から２ｍｍの距離（Ｌ３）で内側に位置するよう熱融着（プレスモールド）によりモールドした。最後に、シース（１０）の部分にも同様にＥＴＦＥ樹脂を被覆し、絶縁性樹脂（８）との接合点（Ｐ）で、センサ全周に亘って熱融着して、全長が５０２ｍｍ、外径が３ｍｍ、検出部（９）の長さが４ｍｍの本発明の液面センサを得た。
（Ｄ）液面センサの評価
上記（Ｃ）で得た液面センサを純水が貯蔵されている絶縁性のプラスチックタンクに取付けて、センサの作動状況をチェックした結果、何ら作動上の問題は発生せず、本発明の液面センサの有効性が確認された。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の液面センサは、中心導体の周りに少なくとも２層構造の導電層を有する同軸ケーブルから構成されるので、従来のものと比較し、その構成が簡略化されるとともに飛躍的に向上した検出安定性を呈する。しかも、このようなセンサは静電容量式センサとして利用できるので、従来の導電式液面センサでは検出できなかった、純水、油等の非導電性液体の検出を可能にする。
さらに、センサ自身の構成が簡単であることから製品のコストダウン化および省スペース化が実現されるばかりでなく、作業性が格段に改善されるので、センサ使用時の生産性も一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の液面センサの一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ｓ液面センサ
１同軸ケーブル
２中心導体（中心電極）
３、４導電層（外側電極）
５、６絶縁層
７、８絶縁性樹脂
９検出部
１０シース
Ｌ１同軸ケーブル（１）の長手方向に沿った、中心導体（２）の先端と外側の導電層（４）の先端との距離
Ｌ２同軸ケーブル（１）の長手方向に沿った、内側の導電層（３）の先端と外側の導電層（４）の先端との距離
Ｌ３同軸ケーブル（１）の長手方向に沿った、中心導体（２）の先端とセンサ先端との距離
Ｐ絶縁性樹脂（８）とシース（１０）との接合部

Claims

中心導体を取り囲む絶縁層の周りに同心円状に配置された、少なくとも２層構造でその層間に絶縁層が介在する導電層が配置され、さらに該導電層の外周が絶縁性樹脂で被覆されてなる同軸ケーブルの該中心導体の一部及び該導電層の一部を露出させて電極を形成するとともに該電極を絶縁性樹脂で被覆したことを特徴とする静電容量式センサ。
該導電層において、外側に位置する導電層の先端が、内側に位置する導電層の先端より、検出端部に向かって突出している請求項１に記載の静電容量式センサ。
突出長さが０．５ｍｍ以上である請求項２に記載の静電容量式センサ。
該中心導体の露出部の先端が、該外側に位置する導電層の先端より０．５ｍｍ以上突出している請求項１〜３のいずれかに記載の静電容量式センサ。
該導電層が少なくとも２層構造の金属編組層である請求項１〜４のいずれかに記載の静電容量式センサ。
該中心導体を取り囲む絶縁層の厚さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである請求項１〜５のいずれかに記載の静電容量式センサ。
該導電層間に介在する絶縁層の厚さが０．１ｍｍ〜２ｍｍである請求項１〜６のいずれかに記載の静電容量式センサ。
該絶縁層がフッ素樹脂からなる請求項１〜７のいずれかに記載の静電容量式センサ。
該絶縁性樹脂がフッ素樹脂である請求項１〜７のいずれかに記載の静電容量式センサ。
該中心導体の先端がセンサ先端より１ｍｍ〜３ｍｍの範囲で内側に位置する請求項１〜９のいずれかに記載の静電容量式センサ。
該中心導体と該外側に位置する導電層との間の静電容量の変化に応じた発振波形で発振する駆動回路を接続するとともに該内側に位置する導電層に該中心導体と同相の検出信号を印加し、これによりセンサ自身の浮遊容量の影響を抑制する構造とした請求項１〜１０のいずれかに記載の静電容量式センサ。
該外側に位置する導電層をアース電極とした請求項１１に記載の静電容量式センサ。