JP4887817B2 - 液位センサ - Google Patents

Description

本発明は、特に、スチーム型電子レンジに使用される水タンクの液面を検知する液位センサに関するものである。

従来のこの種の液位センサは、図７に示すような構成を有していた。

図７は従来の液位センサの上面図を示したもので、この図７において、１はＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁基板で、この絶縁基板１は長手方向に略垂直に立設させ、かつこの絶縁基板１の一側面には上側に位置して電源電極２、中間電極３およびＧＮＤ電極４を並列に設けている。さらに、この絶縁基板１の一側面には、第１の回路パターン５を介して前記ＧＮＤ電極４と一端が電気的に接続されるように複数のサーミスタ抵抗層６を上側から下側にわたって設けている。そして、このサーミスタ抵抗層６は温度が上昇すると抵抗値が急激に下がる特性を有している。そしてまた、前記絶縁基板１の一側面にはサーミスタ抵抗層６と同じ高さに位置して複数の固定抵抗層７を設けており、この固定抵抗層７は一端を第２の回路パターン８を介して前記電源電極２に電気的に接続している。さらに、前記絶縁基板１の一側面には第３の回路パターン９を設けており、この第３の回路パターン９により、前記サーミスタ抵抗層６の他端と固定抵抗層７の他端を電気的に接続している。

以上のように構成された従来の液位センサについて、次にその動作を図面を参照しながら説明する。

液位センサを図８に示すように、液面に対して略垂直に立設して水１０に浸漬し、そしてこの状態で、電源電極２とＧＮＤ電極４との間に直流電圧を印加する。この場合、液面より上方に位置するサーミスタ抵抗層６は通電によって発熱し、一方、液面より下方に位置するサーミスタ抵抗層６は水１０によって冷却される。そして、サーミスタ抵抗層６は温度が上昇すると抵抗値が急激に下がる特性を有しているため、液面より上方に位置するサーミスタ抵抗層６の抵抗値は液面より下方に位置するサーミスタ抵抗層６の抵抗値に比べて十分に小さな値となり、これにより、液面より上方に位置するサーミスタ抵抗層６に流れる電流は、液面より下方に位置するサーミスタ抵抗層６に流れる電流に比べて十分大きな値となる。従って、電源電極２およびＧＮＤ電極４に直列に電流計（図示せず）を接続すると、電源電極２とＧＮＤ電極４との間に流れる電流は液面より上方に位置するサーミスタ抵抗層６の個数に応じ、増加した値となるため、液面の高さを知ることができるものである。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開昭６２−１０２１２０号公報

しかしながら上記従来の液位センサにおいては、サーミスタ抵抗層６の温度が上昇すると抵抗値が下がる特性を利用していたため、液位の変化による抵抗値の変化だけでなく、液位センサの周囲の温度変化により、出力信号が変動してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、液位センサの周囲の温度が変化しても出力信号が変動するということはなく、特性が安定している液位センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、立設された絶縁基板と、この絶縁基板の一面に設けられた第１、第２の上位側サーミスタと、前記絶縁基板の一面に設けられた第１、第２の下位側サーミスタと、前記第１の上位側サーミスタと前記第１の下位側サーミスタとを電気的に接続することにより第１のハーフブリッジ回路を構成するとともに、前記第２の上位側サーミスタと前記第２の下位側サーミスタとを電気的に接続することにより第２のハーフブリッジ回路を構成する回路パターンを備え、前記第１の上位側サーミスタと前記第１の下位側サーミスタとの間に前記第２の上位側サーミスタを配置し、前記第２の上位側サーミスタと前記第２の下位側サーミスタとの間に前記第１の下位側サーミスタを配置する構成としたもので、この構成によれば、一つのハーフブリッジ回路を構成する上位側サーミスタと下位側サーミスタの間に、他のハーフブリッジ回路を構成する上位側サーミスタ或いは下位側サーミスタを配置して隣り合わないように構成しているため、液面の変位により、一方のハーフブリッジ回路および他方のハーフブリッジ回路の出力信号の双方の出力信号をハイレベルとすることができ、これにより、一方のハーフブリッジ回路および他方のハーフブリッジ回路の出力信号により真理表を作成することができるため、これらの出力信号を比較することにより、液位を検出することができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、絶縁基板の一面側に第１、第２の上位側サーミスタと第１、第２の下位側サーミスタを昇温させるためのヒーター層を設けたもので、この構成によれば、絶縁基板の一面側に第１、第２の上位側サーミスタと第１、第２の下位側サーミスタを昇温させるためのヒーター層を設けているため、第１、第２の上位側サーミスタと第１、第２の下位側サーミスタの周囲の温度は高くなり、これにより、第１、第２の上位側サーミスタと第１、第２の下位側サーミスタからの出力信号が増加するという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、絶縁基板および第１、第２の上位側サーミスタ、第１、第２の下位側サーミスタを樹脂系材料によりフィルム状に構成したもので、この構成によれば、絶縁基板および第１、第２の上位側サーミスタ、第１、第２の下位側サーミスタを樹脂系材料によりフィルム状に構成しているため、容器の外側面に液位センサを取り付ける場合、容器の外側面の凹凸にあわせて液位センサを取り付けることができ、これにより、容器の温度を正確に第１、第２の上位側サーミスタ、第１、第２の下位側サーミスタに伝えることができるため、液位センサの出力信号の精度が向上するという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の液位センサは、立設された絶縁基板と、この絶縁基板の一面に設けられた上位側サーミスタと、前記絶縁基板の一面に前記上位側サーミスタの下側に位置して設けられた下位側サーミスタとを備え、前記上位側サーミスタと下位側サーミスタとを絶縁基板の一面に設けた回路パターンで電気的に接続することによりハーフブリッジ回路を構成しているため、液位センサの周囲の温度が変化することにより、上位側サーミスタと下位側サーミスタの抵抗値が変動しても、中点電位が変動することはなく、これにより、液位センサの周囲の温度が変化しても出力信号は常に安定している液位センサを提供することができるという優れた効果を奏するものである。

以下、一実施の形態を用いて、本発明の請求項１〜４に記載の発明について説明する。

図１は本発明の一実施の形態における液位センサの上面図、図２は同液位センサの側断面図、図３は同液位センサの絶縁基板におけるサーミスタおよび回路パターンを示す上面図、図４は同液位センサの絶縁基板におけるヒーター層を示す上面図である。

図１〜図４において、１１はポリイミドからなる樹脂系材料によりフィルム状に構成された絶縁基板で、この絶縁基板１１の長手方向の一端側にはＡｇからなる電源電極１２、第１の出力電極１３、第２の出力電極１４およびＧＮＤ電極１５を設けている。１６は第１の上位側サーミスタで、この第１の上位側サーミスタ１６は絶縁基板１１の上面に設けられるとともに、一端を回路パターン１７を介して前記電源電極１２と電気的に接続するとともに、他端を回路パターン１７を介して第１の出力電極１３と電気的に接続している。１８は第１の下位側サーミスタで、この第１の下位側サーミスタ１８は絶縁基板１１の上面に前記第１の上位側サーミスタ１６と離間して並設されるとともに、一端を前記第１の出力電極１３と回路パターン１７を介して電気的に接続し、かつ他端をＧＮＤ電極１５と電気的に接続している。１９は第２の上位側サーミスタで、この第２の上位側サーミスタ１９は絶縁基板１１の上面に前記第１の上位側サーミスタ１６と第１の下位側サーミスタ１８との間に位置して設けられるとともに、一端を前記電源電極１２と電気的に接続し、かつ他端を第２の出力電極１４と電気的に接続している。２０は第２の下位側サーミスタで、この第２の下位側サーミスタ２０は絶縁基板１１の上面に前記第２の上位側サーミスタ１９と離間して並設されるとともに、一端を前記第２の出力電極１４と回路パターン１７を介して電気的に接続し、かつ他端をＧＮＤ電極１５と電気的に接続している。そして、前記電源電極１２、第１の出力電極１３、ＧＮＤ電極１５、第１の上位側サーミスタ１６および第１の下位側サーミスタ１８により、図６に示すように第１のハーフブリッジ回路２１を構成している。また、これと同様に、電源電極１２、第２の出力電極１４、ＧＮＤ電極１５、第２の上位側サーミスタ１９および第２の下位側サーミスタ２０により第２のハーフブリッジ回路２２を構成している。また、前記第１の上位側サーミスタ１６、第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８、第２の下位側サーミスタ２０は樹脂系材料によりフィルム状に構成されているものである。

上記のように本発明の一実施の形態においては、第１のハーフブリッジ回路２１を構成する第１の上位側サーミスタ１６と第１の下位側サーミスタ１８との間に位置して第２のハーフブリッジ回路２２を構成する第２の上位側サーミスタ１９を設けることにより、第１のハーフブリッジ回路２１を構成する第１の上位側サーミスタ１６と第１の下位側サーミスタ１８が互いに隣り合わないように構成するとともに、第２のハーフブリッジ回路２２を構成する第２の上位側サーミスタ１９と第２の下位側サーミスタ２０も互いに隣り合わないように構成しているため、液面が第２の上位側サーミスタ１９と第１の下位側サーミスタ１８との間に位置した場合には、第１のハーフブリッジ回路２１および第２のハーフブリッジ回路２２の双方の出力信号をハイレベルとすることができ、これにより、第１のハーフブリッジ回路２１および第２のハーフブリッジ回路２２の出力信号により真理表を作成することができるため、出力信号を比較することにより、液位を検出することができるという効果が得られるものである。

２３は絶縁層で、この絶縁層２３は前記絶縁基板１１の上面に設けた第１の上位側サーミスタ１６、第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８、第２の下位側サーミスタ２０および回路パターン１７の上面を覆うように設けられている。２４はヒーター層で、このヒーター層２４は前記絶縁層２３の上面に蛇行するように設けられているとともに、回路パターン１７を介して前記絶縁基板１１の上面に設けたＡｇからなるヒーター電極２５に電気的に接続されている。

上記のように本発明の一実施の形態においては、絶縁基板１１の上面側に第１の上位側サーミスタ１６、第１の下位側サーミスタ１８、第２の上位側サーミスタ１９および第２の下位側サーミスタ２０を昇温させるためのヒーター層２４を設けているため、第１の上位側サーミスタ１６、第１の下位側サーミスタ１８、第２の上位側サーミスタ１９および第２の下位側サーミスタ２０の周囲の温度は高くなり、これにより、第１の上位側サーミスタ１６、第１の下位側サーミスタ１８、第２の上位側サーミスタ１９および第２の下位側サーミスタ２０からの出力信号が増加するという効果が得られるものである。

２６は保護層で、この保護層２６は前記ヒーター層２４の上面を覆うように設けられている。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における液位センサについて、次にその組立方法を説明する。

まず、ポリイミド製の絶縁基板１１の上面における電源電極１２、第１の出力電極１３、第２の出力電極１４、ＧＮＤ電極１５、ヒーター電極２５および回路パターン１７を設ける位置に、厚膜印刷工法によりＡｇペーストを印刷した後、約２５０℃で約３０分間焼成することにより、絶縁基板１１の上面に電源電極１２、第１の出力電極１３、第２の出力電極１４、ＧＮＤ電極１５、ヒーター電極２５および回路パターン１７を形成する。

次に、絶縁基板１１および回路パターン１７の上面における第１の上位側サーミスタ１６、第１の下位側サーミスタ１８、第２の上位側サーミスタ１９および第２の下位側サーミスタ２０を設ける位置にサーミスタペーストを印刷した後、約２７０℃で約２時間焼成することにより、絶縁基板１１および回路パターン１７の上面に第１の上位側サーミスタ１６、第１の下位側サーミスタ１８、第２の上位側サーミスタ１９および第２の下位側サーミスタ２０を形成する。

次に、前記絶縁基板１１、回路パターン１７、第１の上位側サーミスタ１６、第１の下位側サーミスタ１８、第２の上位側サーミスタ１９および第２の下位側サーミスタ２０の上面に絶縁層ペーストを印刷した後、紫外線を照射して硬化させることにより、絶縁層２３を形成する。

次に、前記絶縁層２３の上面におけるヒーター層２４を設ける位置にヒーターペーストを印刷した後、約１５０℃で約３０分間焼成することにより、絶縁層２３の上面にヒーター層２４を形成する。

最後に、前記絶縁基板１１およびヒーター層２４の上面に保護層ペーストを印刷した後、紫外線を照射して硬化させることにより、絶縁基板１１およびヒーター層２４の上面に保護層２６を形成する。

以上のようにして組み立てられた本発明の一実施の形態における液位センサについて、次にその動作を図面を参照しながら説明する。

図５に示すように、予めスチーム型電子レンジ等（図示せず）に使用される熱伝導性のプラスチック容器２７に水２８を満たした後、プラスチック容器２７の外側面に液位センサを立設するように接着剤で貼り付けて取り付ける。

この場合、前記絶縁基板１１および第１の上位側サーミスタ１６、第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８、第２の下位側サーミスタ２０は樹脂系材料によりフィルム状に構成しているため、プラスチック容器２７の外側面の凹凸にあわせて液位センサを貼り付けて取り付けることができ、これにより、プラスチック容器２７の温度を正確に第１の上位側サーミスタ１６、第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０に伝えることができるため、液位センサの出力信号の精度が向上するという効果が得られるものである。

また、液位センサにおける電源電極１２、第１の出力電極１３、第２の出力電極１４、ＧＮＤ電極１５、ヒーター電極２５をコネクタ３０に固定する。この場合、液位センサにおける電源電極１２およびＧＮＤ電極１５は予め５Ｖの電源と接続されており、初期状態では、第１の出力電極１３および第２の出力電極１４は２．５Ｖに設定されている。そして、コネクタ３０からリード線３１を介して、図６に示すように、第１のハーフブリッジ回路２１の第１の出力電極１３における中点電位を、液位センサに外付けされ、かつ予め２．６Ｖに設定された第１の基準電位３２と第１のコンパレータ３３により比較する。また、第２のハーフブリッジ回路２２の第２の出力電極１４における中点電位を、液位センサに外付けされ、かつ予め２．６Ｖに設定された第２の基準電位３４と第２のコンパレータ３５により比較する。

一方、絶縁基板１１におけるヒーター電極２５に電圧を印加することにより、ヒーター２４を発熱させる。

このような状態において、プラスチック容器２７内の水２８がスチーム型電子レンジ（図示せず）の使用により、減少していく場合を考えると、液位が満水である初期状態のレベル３の場合は、第１の上位側サーミスタ１６のみが水２８の液面より高い位置にあり、一方、その他の第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０は水没している。したがって、第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０のすべては水２８により冷却されているため、第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０の抵抗値は高い状態である。一方、第１の上位側サーミスタ１６は空気と接しているため、冷却されておらず抵抗値は低い状態である。それゆえに、初期状態では、第１のハーフブリッジ回路２１の中点電位は第１の基準電位３２の２．６Ｖよりも高い値となっているため、第１のコンパレータ３３からローの出力信号を出力する。一方、第２のハーフブリッジ回路２２における第２の上位側サーミスタ１９および第２の下位側サーミスタ２０は共に水没して高い抵抗値となっているため、第２の出力電極１４からの出力電位が第２の基準電位３４より低い値となり、これにより、第２のコンパレータ３５からハイの出力信号を出力する。

次に、プラスチック容器２７内の水２８が減少して液面が第２の上位側サーミスタ１９と第１の下位側サーミスタ１８との間に位置するレベル２になった場合は、第１の上位側サーミスタ１６および第２の上位側サーミスタ１９は水２８の液面より高い位置にあり、一方、その他の第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０は水没している。したがって、第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０は水２８により冷却されているため、第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０の抵抗値は高い状態である。一方、第１の上位側サーミスタ１６および第２の上位側サーミスタ１９は空気と接しているため、冷却されておらず抵抗値は近い状態である。それゆえに、この状態では、第１のハーフブリッジ回路２１および第２のハーフブリッジ回路２２の中点電位は第１の基準電位３２および第２の基準電位３４の２．６Ｖよりも高い値となっているため、第１のコンパレータ３３および第２のコンパレータ３５からローの出力信号を出力する。

次に、プラスチック容器２７内の水２８がさらに減少して液面が第１の下位側サーミスタ１８と第２の下位側サーミスタ２０との間に位置するレベル１になった場合は、第２の下位側サーミスタ２０のみが水２８の液面より低い位置にあり、一方、その他の第１の上位側サーミスタ１６、第２の上位側サーミスタ１９および第１の下位側サーミスタ１８は空気に接している。したがって、第２の下位側サーミスタ２０のみが水２８により冷却されているため、第２の下位側サーミスタ２０の抵抗値だけが高い状態である。一方、第１の上位側サーミスタ１６、第２の上位側サーミスタ１９および第１の下位側サーミスタ１８は空気と接しているため、冷却されておらず抵抗値は低い状態である。それゆえに、この状態では、第１のハーフブリッジ回路２１の中点電位は、第１の上位側サーミスタ１６および第１の下位側サーミスタ１８が共に空気に接して低い抵抗値となっているため、第１の基準電位３２の２．６Ｖよりも低い値となり、これにより、第１のコンパレータ３３からハイの出力信号を出力する。一方、第２のハーフブリッジ回路２２における第２の下位側サーミスタ２０は水没して高い抵抗値となり、かつ第２の上位側サーミスタ１９は空気と接して低い抵抗値となっているため、第２の基準電位３４より高い値となり、これにより、第２のコンパレータ３５からローの出力信号を出力する。

次に、プラスチック容器２７内の水２８がさらに減少して液面が第２の下位側サーミスタ２０よりも下側に位置するレベル０になった場合は、第１の上位側サーミスタ１６、第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０は水２８の液位より高い位置にあり、空気と接しているため、冷却されておらず抵抗値は低い状態である。それゆえに、この状態では、第１のハーフブリッジ回路２１および第２のハーフブリッジ回路２２の中点電位は第１の基準電位３２および第２の基準電位３４の２．６Ｖよりも低い値となっているため、第１のコンパレータ３３および第２のコンパレータ３５からハイの出力信号を出力する。すなわち、プラスチック容器２７内の水２８の液面の増減にあわせて（表１）に示す真理表のようにレベル０からレベル３までの４つの段階の出力信号を第１のコンパレータ３３および第２のコンパレータ３５から出力するものである。

ここで、液位センサの周囲の温度が変動する場合を考えると、本発明の一実施の形態における液位センサにおいては、第１の上位側サーミスタ１６と第１の下位側サーミスタ１８とを絶縁基板１１の一面に設けた回路パターン１７で電気的に接続することにより第１のハーフブリッジ回路２１を構成するとともに、第２の上位側サーミスタ１９と第２の下位側サーミスタ２０とを絶縁基板１１の一面に設けた回路パターン１７で電気的に接続することにより第２のハーフブリッジ回路２２を構成しているため、液位センサの周囲の温度が変化することにより、第１の上位側サーミスタ１６、第２の上位側サーミスタ１９、第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０の抵抗値が変動しても、第１の出力電極１３および第２の出力電極１４から出力される中点電位が変動することはなく、これにより、液位センサの周囲の温度が変化しても出力信号は常に安定したものが得られるという効果を有するものである。

なお、上記本発明の一実施の形態における液位センサにおいては、絶縁基板１１の一面において、上側に設けた第１の上位側サーミスタ１６および第２の上位側サーミスタ１９と、下側に設けた第１の下位側サーミスタ１８および第２の下位側サーミスタ２０とによって、第１のハーフブリッジ回路２１および第２のハーフブリッジ回路２２を設けた構成としているが、さらに、多数の上位側サーミスタおよび下位側サーミスタを設けることにより、複数のハーフブリッジ回路を設けても本発明の一実施の形態と同様の作用効果を有するものである。

本発明に係る液位センサは、液位センサの周囲の温度が変化しても出力信号は常に安定したものが得られるという効果を有するものであり、スチーム型電子レンジ等に使用されるプラスチック容器の液面を検出する液位センサとして有用である。

本発明の一実施の形態における液位センサの上面図 同液位センサの側断面図 同液位センサの絶縁基板におけるサーミスタおよび回路パターンを示す上面図 同液位センサの絶縁基板におけるヒーター層を示す上面図 本発明の一実施の形態における液位センサをスチーム型電子レンジのプラスチック容器に貼り付けて取り付けた状態を示す側断面図 同液位センサを出力検出回路に接続した状態を示す回路図 従来の液位センサの上面図 従来の液位センサの動作状態を示す図

符号の説明

１１ 絶縁基板
１６ 第１の上位側サーミスタ
１７ 回路パターン
１８ 第１の下位側サーミスタ
１９ 第２の上位側サーミスタ
２０ 第２の下位側サーミスタ
２１ 第１のハーフブリッジ回路
２２ 第２のハーフブリッジ回路
２４ ヒーター層

Claims (3)

1. 立設された絶縁基板と、この絶縁基板の一面に設けられた第１、第２の上位側サーミスタと、前記絶縁基板の一面に設けられた第１、第２の下位側サーミスタと、前記第１の上位側サーミスタと前記第１の下位側サーミスタとを電気的に接続することにより第１のハーフブリッジ回路を構成するとともに、前記第２の上位側サーミスタと前記第２の下位側サーミスタとを電気的に接続することにより第２のハーフブリッジ回路を構成する回路パターンを備え、前記第１の上位側サーミスタと前記第１の下位側サーミスタとの間に前記第２の上位側サーミスタを配置するとともに、前記第２の上位側サーミスタと前記第２の下位側サーミスタとの間に前記第１の下位側サーミスタを配置した液位センサ。
2. 絶縁基板の一面側に第１、第２の上位側サーミスタと第１、第２の下位側サーミスタを昇温させるためのヒーター層を設けた請求項１に記載の液位センサ。
3. 絶縁基板および第１、第２の上位側サーミスタ、第１、第２の下位側サーミスタを樹脂系材料によりフィルム状に構成した請求項１に記載の液位センサ。

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