JP5424773B2 - センサ及びこれを備えた浄水器 - Google Patents

Description

本発明は、試料の特性を検査する検査モジュールとして使用可能なセンサ及びこれを備えた浄水器に関する。

一般的に、気体や液体などの試料の種類や含有物の濃度などの特性を検査する検査モジュールとして、試料を一対の電極の間に挟んで、一対の電極に電圧を印加したときの電極間の抵抗や静電容量から試料の特性を検査するセンサが知られている。

例えば、特許文献１には、微生物を含有する液体が貯留された容器内に一対の電極を配置し、この電極間に矩形波電圧を印加したときの電極間の抵抗や静電容量から液体中に含有する微生物数を測定する微生物測定装置について記載されている。

特開２００２−３３０７５２号公報（図１）

ところで、試料の特性の検査内容としては、上述した特許文献１に記載の微生物測定装置のように１つの試料の特性を検査する場合の他に、２つの試料の特性の類似性や相違性を検査する場合などが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の微生物測定装置では、例えば、２つの液体中に含有する微生物数が同じか否かなどを検査するためには、２つの装置でそれぞれの液体中に含有する微生物数を測定する必要があり、コストが増大してしまう。このような経緯から、低コストで、１つの試料の特性や２つの試料の特性の類似性や相違性などを検査可能な検査モジュールとして利用できるセンサが求められている。

そこで、本発明の目的は、試料の特性などを検査する検査モジュールとして汎用的に利用することができる低コストなセンサ及びこれを備えた浄水器を提供することである。

本発明のセンサは、少なくとも一方は試料を挟んで対向する電極対である、直列に接続された２つのＣＲ並列回路と、前記２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加する電源回路部と、前記２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を検出する電圧検出部と、前記２つのＣＲ並列回路に印加された矩形波電圧を１／２に降圧して出力する電圧降圧回路と、前記電圧降圧回路によって１／２になった電圧と、前記電圧検出部によって検出される電圧とを比較して、その差の電圧を出力する比較回路と、前記比較回路から出力される電圧に基づいて、前記２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じか否かを判断する判断手段と、を備えている。

本発明のセンサによると、回路構成が簡単であるため、低コストであり、電圧検出部によって検出される電圧に基づいて試料の特性などを検査する検査モジュールとして汎用的に利用することができる。なお、試料の特性とは、試料が気体や液体である場合にはその種類や含有物の濃度などのことである。また、２つのＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量の両方が互いに同じであると、電圧検出部によって検出される電圧は、２つのＣＲ並列回路の間に印加された矩形波の１／２となり、比較回路から出力される電圧はゼロとなる。また、２つのＣＲ並列回路の抵抗や静電容量が異なっていると、比較回路から出力される電圧はゼロではなくなる。したがって、判断手段は比較回路から出力される電圧がゼロか否かによって、２つのＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量の両方が互いに同じか否かを容易に判断することができる。

また、前記２つのＣＲ並列回路のうち、一方の前記ＣＲ並列回路のみが前記電極対であり、前記電極対ではない他方の前記ＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量が固定されていることが好ましい。これによると、一方のＣＲ並列回路である電極対の間に挟まれた試料の特性と、他方のＣＲ並列回路の抵抗や静電容量に対応した特性の同一性、類似度またはそれぞれの抵抗や静電容量の違いなどを判断することができる。

また、前記２つのＣＲ並列回路のうち、一方の前記ＣＲ並列回路のみが前記電極対であり、前記電極対ではない他方の前記ＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量が可変であってもよい。これによると、例えば、一方のＣＲ並列回路である電極対の間に挟まれた試料の特性に応じた抵抗や静電容量がわからない場合に、他方のＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量を変化させて、未知の試料の特性に対応した抵抗や静電容量を把握することもできる。

また、前記２つのＣＲ並列回路は、どちらも試料を挟んで対向する電極対で構成されていてもよい。これによると、電圧検出部によって検出される電圧から、一方のＣＲ並列回路である電極対に挟まれた試料と他方のＣＲ並列回路である電極対に挟まれた試料の同一性、類似度またはそれぞれの抵抗や静電容量の違いなどを判断することができる。

このとき、２つの電極対のうち、一方の電極対は、流体が流れる流路の上流側に配置され、他方の電極対は前記流路の下流側に配置されていてもよい。これによると、上流側の電極対に挟まれた試料と下流側の電極対に挟まれた試料は、それぞれ上流側の流体及び下流側の流体に相当する。したがって、電圧検出部によって検出される電圧から、流路の上流側と下流側で流体の特性が変化したか否かを判断することができる。

また、前記比較回路から出力される電圧が、ほぼゼロである場合には、前記判断手段が、前記２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じであると判断することが好ましい。
また、本発明のセンサは、別の観点では、直列に接続された２つのＣＲ並列回路と、前記２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加する電源回路部と、前記２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を検出する電圧検出部と、を備えている。そして、前記２つのＣＲ並列回路は、どちらも試料を挟んで対向する電極対で構成され、２つの電極対のうち、一方の電極対は流体が流れる流路の上流側に配置され、他方の電極対は前記流路の下流側に配置されている。
これによると、回路構成が簡単であるため、低コストであり、電圧検出部によって検出される電圧に基づいて試料の特性などを検査する検査モジュールとして汎用的に利用することができる。また、電圧検出部によって検出される電圧から、一方のＣＲ並列回路である電極対に挟まれた試料と他方のＣＲ並列回路である電極対に挟まれた試料の同一性、類似度またはそれぞれの抵抗や静電容量の違いなどを判断することができる。また、上流側の電極対に挟まれた試料と下流側の電極対に挟まれた試料は、それぞれ上流側の流体及び下流側の流体に相当する。したがって、電圧検出部によって検出される電圧から、流路の上流側と下流側で流体の特性が変化したか否かを判断することができる。
また、前記電極対は、所定間隔をあけて配置された２枚の平板状電極からなることが好ましい。

本発明における浄水器は、どちらも試料を挟んで対向する電極対である、直列に接続された２つのＣＲ並列回路と、前記２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加する電源回路部と、前記２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を検出する電圧検出部と、前記２つのＣＲ並列回路に印加された矩形波電圧を１／２に降圧して出力する電圧降圧回路と、前記電圧降圧回路によって１／２になった電圧と前記電圧検出部によって検出される電圧とを比較して、その差の電圧を出力する比較回路と、前記比較回路から出力される電圧に基づいて、前記２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じか否かを判断する判断手段とを有するセンサと、水を浄化するための浄水処理部とを備えている。そして、２つの電極対のうち、一方の電極対は前記浄水処理部の上流側に配置され、他方の電極対は前記浄水処理部の下流側に配置されている。
また、本発明における浄水器は、別の観点では、どちらも試料を挟んで対向する電極対である、直列に接続された２つのＣＲ並列回路と、前記２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加する電源回路部と、前記２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を検出する電圧検出部とを有するセンサと、水を浄化するための浄水処理部とを備えている。そして、２つの電極対のうち、一方の電極対は前記浄水処理部の上流側に配置され、他方の電極対は前記浄水処理部の下流側に配置されている。

回路構成が簡単であるため、低コストであり、電圧検出部によって検出される電圧に基づいて試料の特性などを検査する検査モジュールとして汎用的に利用することができる。また、２つのＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量の両方が互いに同じであると、電圧検出部によって検出される電圧は、２つのＣＲ並列回路の間に印加された矩形波の１／２となり、比較回路から出力される電圧はゼロとなる。また、２つのＣＲ並列回路の抵抗や静電容量が異なっていると、比較回路から出力される電圧はゼロではなくなる。したがって、判断手段は比較回路から出力される電圧がゼロか否かによって、２つのＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量の両方が互いに同じか否かを容易に判断することができる。
また、本発明のセンサの別の観点によると、回路構成が簡単であるため、低コストであり、電圧検出部によって検出される電圧に基づいて試料の特性などを検査する検査モジュールとして汎用的に利用することができる。また、電圧検出部によって検出される電圧から、一方のＣＲ並列回路である電極対に挟まれた試料と他方のＣＲ並列回路である電極対に挟まれた試料の同一性、類似度またはそれぞれの抵抗や静電容量の違いなどを判断することができる。また、上流側の電極対に挟まれた試料と下流側の電極対に挟まれた試料は、それぞれ上流側の流体及び下流側の流体に相当する。したがって、電圧検出部によって検出される電圧から、流路の上流側と下流側で流体の特性が変化したか否かを判断することができる。

本実施形態に係る検査装置の概略平面図である。 図１の等価回路図である。 電圧検出部から出力される電圧波形例である。 本実施形態に係るセンサの使用例を説明する浄水器の概略平面図である。 変形例における検査装置の等価回路図である。 オペアンプから出力される電圧波形例である。

以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、試料の特性を検査する検査装置の一部として利用するセンサに、本発明を適用したものである。なお、本実施形態においては、例えば、液体や気体などの流体を試料とし、その種類や含有物の濃度などを特性としている。

まず、検査装置の概略構成について図１を参照して説明する。図１に示すように、検査装置１は、試料の特性を検査するセンサ２と、試料１３、１４をそれぞれ貯留する２つの容器６、７と、を有している。

センサ２は、２つの容器６、７にそれぞれ配置された２組の電極対１１、１２と、２組の電極対１１、１２の間の後述する電圧検出部５によって検出された電圧に基づいて種々の制御を行う制御部４と、２組の電極対１１、１２に矩形波の電圧を印加する矩形波発生器３と、を有している。

電極対１１は、試料１３が貯留された容器６内に配置されており、導電性及び耐食性などに優れた金属材料からなり、所定の間隔をあけて配置された２枚の平板状の電極１１ａ、１１ｂを有している。この２枚の電極１１ａ、１１ｂは、試料１３を挟んで対向している。電極対１２は、試料１４が貯留された容器７内に配置されており、導電性及び耐食性などに優れた金属材料からなり、所定の間隔をあけて２枚の平板状の電極１２ａ、１２ｂを有している。この２枚の電極１２ａ、１２ｂは、試料１４を挟んで対向している。

電極対１１の一方の電極１１ａは、矩形波発生器３の電源端子と接続されている。矩形波発生器３の電源端子とは異なる他方の端子はグランド（ＧＮＤ）に接続されている。電極対１１の他方の電極１１ｂは、電極対１２の一方の電極１２ａと接続されている。電極対１２の他方の電極１２ｂは、ＧＮＤと接続されている。

矩形波発生器３は、＋Ｅ（Ｖ）と−Ｅ（Ｖ）の矩形波電圧を交互に発生する電圧発生器である。電極対１１の電極１１ｂと電極対１２の電極１２ａの接続部は、電圧検出部５となっており、この電圧検出部５によって検出された電圧は制御部４の後述する判断部３２に出力される。ここでは、＋Ｅ（Ｖ）と−Ｅ（Ｖ）の矩形波電圧を交互に発生させたが、正電圧または負電圧の片側電圧のみの矩形波電圧でもよい。

電極対１１は、２枚の電極１１ａ、１１ｂが所定の間隔をあけて対向して配置されていることから、この対向する間隔や電極１１ａ、１１ｂ間に挟まれた試料の特性に応じた静電容量及び抵抗を有するＣＲ並列回路とみなすことができる。電極対１２についても、同様に電極１２ａ、１２ｂ間の間隔や試料の特性に応じた静電容量及び抵抗を有するＣＲ並列回路とみなすことができる。

図２に示すように、検査装置１は、２つのＣＲ並列回路が直列に接続され、矩形波発生器３によってこの２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加したときの、２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を電圧検出部５から検出する。そして、電圧検出部５によって検出された電圧から試料の特性を判断する。なお、以下の説明では、電極対１１であるＣＲ並列回路の抵抗をＲ１、コンデンサをＣ１とする。また、電極対１２であるＣＲ並列回路の抵抗をＲ２、コンデンサをＣ２とする。

次に、検査装置１の制御系について説明する。図１に示す検査装置１の制御部４は、例えば、中央処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、検査装置１の全体動作を制御するための各種プログラムやデータなどが格納されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵで処理されるデータなどを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵで実行されることにより、以下に説明するような種々の制御を行う。あるいは、演算回路を含む各種回路が組み合わされたハードウェア的なものであってもよい。

次に、電圧検出部５によって検出される出力電圧について説明する。各電極対の等価回路であるＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗は、２枚の電極の間に挟まれた試料の特性に応じた値となる。つまり、詳しくは後述するが、２つのＣＲ並列回路の静電容量または抵抗の少なくとも一方が互いに異なっていると、２組の電極対がそれぞれ配置された２つの試料の特性は異なるものであると判断できる。

矩形波発生器３から流れる全電流をｉとし、抵抗Ｒ１に流れる電流をｉａとし、コンデンサＣ１に流れる電流をｉｂとし、抵抗Ｒ２に流れる電流をｉｃとし、コンデンサＣ２に流れる電流をｉｄとする。このとき、矩形波発生器３から印加された電圧は、１周期の半分の正電圧のみが印加されたものとする。また、ｔ＝０の電圧印加開始時には、コンデンサＣ１、Ｃ２には電荷がないものとする。

すると、以下のような微分方程式及び積分方程式が得られる。

この上述した４つの式をラプラス変換すると、以下のような式が成り立つ。

この式をＩｃ（ｓ）について解くと、下記のような式となる。

そして、この式をラプラス逆変換して解の導出を行うと、電圧検出部５によってグランド（ＧＮＤ）との間で検出される出力電圧Ｖｐは、下記のような数式４になる。

なお、上述した出力電圧Ｖｐの導出式の特殊な事例について考察する。以下、矩形波発生回路３から印加される電圧はプラスの矩形波電圧であるとする。Ｃ１Ｒ１−Ｃ２Ｒ２＞０、すなわち、Ｃ１Ｒ１＞Ｃ２Ｒ２でＶｐ（ｔ）は立ち下がりの特性となる。逆に、Ｃ１Ｒ１−Ｃ２Ｒ２＜０、すなわち、Ｃ１Ｒ１＜Ｃ２Ｒ２ではＶｐ（ｔ）は立ち上がりの特性となる。立ち上がり、立ち下がりの傾斜程度は上記の式４におけるαに従う。Ｃ１Ｒ１−Ｃ２Ｒ２＝０、すなわちＣ１Ｒ１＝Ｃ２Ｒ２ではＶｐ（ｔ）は電圧値が一定のフラットな特性となる。また、ｔ＝０、すなわち、矩形波発生器３による電圧印加直後では、以下のような数式５になる。つまり、出力電圧Ｖｐ（ｔ）は、コンデンサＣ１、Ｃ２の静電容量の比で示される。

さらに、出力電圧Ｖｐが定常状態となったとき（このとき、ｔ＝＋∞と考える）、以下のような数式６になる。つまり、出力電圧Ｖｐ（ｔ）は、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗の比で示される。

さらに、フラットな特性となるＣ１Ｒ１−Ｃ２Ｒ２＝０のとき、電圧値は以下のような数式７になる。特に、Ｃ１＝Ｃ２であり、且つ、Ｒ１＝Ｒ２のときは、Ｖｐ＝１／２・Ｅになる。

または、

上述したような式で出力電圧Ｖｐが導出される。そこで、これらの式を用いて導出される、２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の違いによる出力電圧Ｖｐの波形について、図３を参照して説明する。図３では、縦軸が出力電圧であり、横軸は時間である。また、電圧検出部５から出力される電圧波形を実線で示し、矩形波発生器３から印加される矩形波の１／２の電圧波形を破線で示している。

図３（ａ）に示すように、２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じ（Ｃ１＝Ｃ２、Ｒ１＝Ｒ２）であると、電圧検出部５によって検出される電圧は、矩形波発生器３から印加される電圧の１／２の矩形波と同じになる。

また、図３（ｂ）に示すように、２つのＣＲ並列回路の抵抗は同じ（Ｒ１＝Ｒ２）で、電極対１１側のＣＲ並列回路のコンデンサＣ１の静電容量が、電極対１２側のＣＲ並列回路のコンデンサＣ２の静電容量よりも大きい（Ｃ１＞Ｃ２）と、数式５によって算出された出力電圧Ｖｐから数式６によって算出された出力電圧Ｖｐに緩やかに過渡的に立ち下がり、定常状態となる電圧波形となる。このときの立ち下がる傾きは、数式４のαによって決定される。

また、図３（ｃ）に示すように、２つのＣＲ並列回路の抵抗は同じ（Ｒ１＝Ｒ２）で、電極対１１側のＣＲ並列回路のコンデンサＣ１の静電容量が、電極対１２側のＣＲ並列回路のコンデンサＣ２の静電容量よりも小さい（Ｃ１＜Ｃ２）と、数式５によって算出された出力電圧Ｖｐから数式６によって算出された出力電圧Ｖｐに緩やかに過渡的に立ち上がり、定常状態となる電圧波形となる。このときの立ち上がる傾きは、数式４のαによって決定される。

また、図３（ｄ）に示すように、２つのＣＲ並列回路の静電容量は同じ（Ｃ１＝Ｃ２）で、電極対１１側のＣＲ並列回路の抵抗Ｒ１が、電極対１２側のＣＲ並列回路の抵抗Ｒ２よりも小さい（Ｒ１＜Ｒ２）と、緩やかに過渡的に立ち上がり、定常状態となる電圧波形となる。このときの立ち上がる傾きは、数式４のαによって決定される。また、定常状態における出力電圧Ｖｐは、矩形波発生器３から印加された電圧の１／２よりも大きくなる。

また、図３（ｅ）に示すように、２つのＣＲ並列回路の静電容量は同じ（Ｃ１＝Ｃ２）で、電極対１１側のＣＲ並列回路の抵抗Ｒ１が、電極対１２側のＣＲ並列回路の抵抗Ｒ２よりも大きい（Ｒ１＞Ｒ２）と、緩やかに過渡的に立ち下がり、定常状態となる電圧波形となる。このときの立ち下がる傾きは、数式４のαによって決定される。また、定常状態における出力電圧Ｖｐは、矩形波発生器３から印加された電圧の１／２よりも小さくなる。

これらから、Ｒ１Ｃ１＞Ｒ２Ｃ２の場合には、出力電圧Ｖｐの電圧波形に緩やかに過渡的に立ち下がるカーブが現れ、Ｒ１Ｃ１＜Ｒ２Ｃ２の場合には、出力電圧Ｖｐの電圧波形に緩やかに過渡的に立ち上がるカーブが現れることがわかる。

また、出力電圧Ｖｐの電圧波形を考察することで、出力電圧Ｖｐが矩形波発生器３から印加された電圧の１／２と同じ矩形波の電圧である場合には、２つのＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量の両方が互いに同じであることがわかる。

図１にしたがって制御部４の一例を説明する。制御部４は、記憶部３１と判断部３２とを有している。記憶部３１は、矩形波発生器３によって印加される電圧を１／２にした矩形波の電圧を時系列の電圧データとして記憶している。判断部３２は、電圧検出部５によって検出された出力電圧と記憶部３１に記憶された電圧とを比較し、比較結果に基づいてＬＯＷ信号もしくはＨＩ信号を出力する。

本実施形態において、判断部３２は、出力電圧Ｖｐが矩形波発生器３から印加された電圧の１／２と同じ矩形波の電圧である場合、すなわち、電極対１１と電極対１２の２つのＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量の両方が互いに同じであるとき、ＨＩ信号を出力する。このとき注目すべき点は、２つのＣＲ並列回路の抵抗Ｒ１、Ｒ２または静電容量Ｃ１、Ｃ２の値が当初の値から変化してもＲ１＝Ｒ２、Ｃ１＝Ｃ２であればＨＩ信号を出力するという点である。

また、定常状態における出力電圧Ｖｐが矩形波発生器３から印加された電圧の１／２と異なる電圧である場合には、２つのＣＲ並列回路の抵抗が異なっていることがわかる。さらに、定常状態における出力電圧Ｖｐが矩形波発生器３から印加された電圧の１／２よりも大きい場合には、抵抗Ｒ１が抵抗Ｒ２よりも小さいことがわかる。加えて、定常状態における出力電圧Ｖｐが矩形波発生器３から印加された電圧の１／２よりも小さい場合には、抵抗Ｒ１が抵抗Ｒ２よりも大きいことがわかる。このとき、本実施形態において、判断部３２はＬＯＷ信号を出力する。

また、電圧印加直後の出力電圧Ｖｐが矩形波発生器３から印加された電圧の１／２と異なる電圧である、または、緩やかに経時変化するカーブを有する電圧波形である場合には、２つのＣＲ並列回路の抵抗または静電容量の少なくともいずれか一方が異なっていることがわかる。このとき、本実施形態において、判断部３２はＬＯＷ信号を出力する。

すなわち、判断部３２は、２つのＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量の両方が互いに同じときには、ＨＩ信号を出力し、異なるときには、ＬＯＷ信号を出力する。このように、判断部３２は、電圧検出部５によって検出される電圧が、上述したような矩形波か否かを判断するだけで、２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じか否かを容易に判断して、判断結果を出力することができる。

このような２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の相違から、以下に説明するように、各ＣＲ並列回路である電極対に挟まれた試料の特性を判断することができる。

まず、２つの容器６、７にそれぞれ貯留された試料１３、１４が同じか否かを判断することができる。例えば、２つの未知の試料を２つの容器６、７にそれぞれ貯留して、判断部３２から出力された信号がＨＩ信号であるときには、２つの試料は同一であることがわかる。このとき、電極対１１、１２の抵抗Ｒ１、Ｒ２または静電容量Ｃ１、Ｃ２の値が当初の値から変化してもＲ１＝Ｒ２、Ｃ１＝Ｃ２であればＨＩ信号を出力するので、試料１３、１４が相対的に変化してもこれらの試料が同じか否かを判断することができる。また、判断部３２から出力された信号がＬＯＷ信号であるときには、２つの試料は異なっていることがわかる。

また、２つの容器６、７にそれぞれ貯留された試料１３、１４のうち試料１３の特性をユーザが把握しているものとする。このとき、試料１３を基準試料として、試料１４が試料１３と同じか否かを判断することができる。判断部３２からＨＩ信号が出力された場合には、基準試料１３と試料１４は同じ特性であると判断することができる。また、判断部３２からＬＯＷ信号が出力された場合には、基準試料１３と試料１４は異なる特性であると判断することができる。また、判断部３２からＬＯＷ信号が出力され、仮に、試料１３、１４の材料は同じで、濃度が異なる場合（例えば、濃度に係る物質が電導度、つまり抵抗に変化を与える場合）には、判断部３２からＨＩ信号が出力されるように、試料１４の濃度を変化させることで、試料１４を基準試料１３と同じ特性になるように調整することができる。

また、図４に示すように、例えば、浄水器４０の浄水処理部４１の上流側と下流側にそれぞれ電極対１１、１２を配置して、水道水を流したときに、浄水処理部４１による浄化が正常に行われているかを判断することもできる。浄水処理部４１による浄化が正常に行われていると、浄水処理部４１よりも上流側の水道水と下流側の浄水で異なる特性になり、判断部３２からはＬＯＷ信号が出力される。しかしながら、浄水処理部４１内部のフィルターの劣化や目詰まりなどで、浄化が正常に行われていないと、浄水処理部４１よりも上流側の水道水と下流側の浄水の特性が変化せず同じとなり、判断部３２からはＨＩ信号が出力される。この判断部３２からの信号で浄水部４１が正常に動作しているか否かを判断することができる。このとき、浄水処理部４１の上流側の水道水と下流側の浄水を相対比較しているだけなので、電極対１１、１２の抵抗Ｒ１、Ｒ２または静電容量Ｃ１、Ｃ２の値が当初の値から変化してもＲ１＝Ｒ２、Ｃ１＝Ｃ２であればＨＩ信号を出力し、水質や水温などの影響を受けずに判断することができる。

また、本実施形態における検査装置１は、直列に接続された２つのＣＲ並列回路のうち、いずれか一方を電極対ではなく、抵抗器とコンデンサを並列に接続した電気回路により構成することが可能である。そして、このとき、この電気回路の抵抗器の抵抗値とコンデンサの静電容量は固定であってもよいし、可変であってもよい。それぞれの場合の検査装置の使用例について説明する。

まず、電気回路の抵抗器の抵抗値とコンデンサの静電容量が固定の場合について説明する。例えば、ある試料を挟んだ電極対からなるＣＲ並列回路の抵抗や静電容量が分かっているものとする。そして、その抵抗や静電容量を一方の電極対ではないＣＲ並列回路の固定された抵抗及び静電容量とすることで、電圧検出部５によって検出される電圧から、判断部３２により他方のＣＲ並列回路の電極対の間に挟まれた試料の特性が、一方のＣＲ並列回路の抵抗や静電容量に対応した特性と同じか否かを判断することができる。また、判断部３２からの出力信号がＨＩ信号となるように、他方のＣＲ並列回路の電極対の間に挟まれた試料の特性を調整することで、他方のＣＲ並列回路の電極対の間に挟まれた試料の特性を一方の電極対からなるＣＲ並列回路の抵抗や静電容量に対応する特性に調整することができる。

次に、電気回路の抵抗器の抵抗値とコンデンサの静電容量が可変の場合について説明する。例えば、一方のＣＲ並列回路の電極対の間に挟まれた試料の特性に応じた抵抗や静電容量がわからない場合に、他方の電極対ではないＣＲ並列回路の抵抗及び／または静電容量を変化させて、判断部３２からの出力信号がＨＩ信号になるようにする。そして、判断部３２からの出力信号がＨＩ信号になると、２つのＣＲ並列回路の静電容量や抵抗が同じとなったと判断することができ、一方のＣＲ並列回路の電極対の間に挟まれた試料の特性は、他方のＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量に対応した特性と同じになる。これにより、未知の試料の特性に対応したＣＲ並列回路の抵抗や静電容量を把握することができる。

本実施形態の検査装置１によると、上述したように試料の特性をさまざまな方法により検査することができる。また、検査装置１のセンサ２は、回路構成が簡単であるため、低コストである。したがって、このセンサ２は、低コストであり、電圧検出部５によって検出される電圧に基づいて試料の特性などを検査する検査モジュールとして汎用的に利用することができる。

次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。

上述した実施形態においては、制御部４は、記憶部３１と判断部３２とを有し、上述したようにＬＯＷ信号もしくはＨＩ信号を出力するものであるが、以下のような構成であってもよい。図１の制御部４で特性分析手段及び試料判断手段を備えているものとする。上述した実施形態では、特徴的な例である出力電圧Ｖｐが矩形波発生器３から印加された電圧の１／２である場合（Ｃ１＝Ｃ２、Ｒ１＝Ｒ２）との比較から述べたものであるが、以下についても同様に試料特性の判断をすることができる。

特性分析手段は、出力電圧Ｖｐの立ち下がりの特性、立ち上がりの特性、立ち上がりまたは立ち下がりの傾斜程度、電圧印加直後、定常状態、フラットな特性を分析するものである。試料判断手段は、特性分析手段の結果に基づき試料の静電容量と抵抗の特性を判断するものである。具体的には、特性分析手段が、出力電圧Ｖｐの立ち下がりの特性（Ｃ１Ｒ１＞Ｃ２Ｒ２）、立ち上がりの特性（Ｃ１Ｒ１＜Ｃ２Ｒ２）、立ち上がりまたは立ち下がりの傾斜程度（α：傾斜度合い 急峻・緩傾性）、電圧印加直後（ｔ＝０）、定常状態（ｔ＝＋∞）、フラットな特性（Ｃ１Ｒ１−Ｃ２Ｒ２＝０、または、Ｃ１＝Ｃ２、Ｒ１＝Ｒ２）から波形パターンを分別する。

特性分析手段による分別結果が立ち下がりの特性であれば、試料判断手段は、Ｃ１Ｒ１側試料の静電容量と抵抗の積が、Ｃ２Ｒ２側試料の静電容量と抵抗の積より大きい（Ｃ１Ｒ１＞Ｃ２Ｒ２）と判断する。また、特性分析手段による分別結果が立ち上がりの特性であれば、試料判断手段は、Ｃ１Ｒ１側試料の静電容量と抵抗の積が、Ｃ２Ｒ２側試料の静電容量と抵抗の積より小さい（Ｃ１Ｒ１＜Ｃ２Ｒ２）と判断する。また、試料判断手段は、電圧印加直後（ｔ＝０）の検出電圧値より、両側の試料の静電容量比(Ｃ１／Ｃ１＋Ｃ２)を判断し、定常状態（ｔ＝＋∞）の検出電圧値より、両側の試料の抵抗比(Ｒ２／Ｒ１＋Ｒ２)を判断する。さらに、試料判断手段は、検出電圧値がフラットな特性であれば、両側の試料の静電容量と抵抗の積が同じ（Ｃ１Ｒ１−Ｃ２Ｒ２＝０）であると判断し、特に検出電圧値が１／２であるフラットな特性であれば、両側の試料の静電容量が同じであり、且つ、抵抗が同じである（Ｃ１＝Ｃ２、Ｒ１＝Ｒ２）と判断する。

加えて、試料判断手段は、電圧印加直後の電圧値が１／２Ｅであれば、両側の試料の静電容量が同じ(Ｃ１＝Ｃ２)であること、及び、両側の試料の抵抗比(Ｒ２／Ｒ１＋Ｒ２)を判断し、定常状態の電圧値が１／２Ｅであれば、両側の試料の抵抗が同じ(Ｒ１＝Ｒ２)であること、及び、両側の試料の静電容量比(Ｃ１／Ｃ１＋Ｃ２)を判断する。さらに、立ち上がりまたは立ち下がりの傾斜程度（α：傾斜度合い 急峻・緩傾性）と、電圧印加直後（ｔ＝０）の検出電圧値と、定常状態（ｔ＝＋∞）の検出電圧値により、仮に、電圧印加直後（ｔ＝０）の検出電圧の分析で静電容量の比(Ｃ１／Ｃ１＋Ｃ２)、及び、定常状態（ｔ＝＋∞）の検出電圧値の分析で抵抗の比(Ｒ２／Ｒ１＋Ｒ２)が同じ場合であっても、立ち上がりまたは立ち下がりの傾斜程度（α：傾斜度合い 急峻・緩傾性）により、静電容量及び抵抗のそれぞれの値が異なれば、試料判断手段は、両側の試料について静電容量と抵抗が異なると判断する。

このように、特性分析手段により分析される電圧の立ち上がり、立ち下がり、立ち上がりまたは立ち下がり状況、電圧印加時の初期電圧値、定常時における電圧値、フラットな電圧値のいずれか一つ、または、複数の組合せから、試料判断手段は、試料の各種特性を判断することができる。

２つのＣＲ並列回路のうち、片側が電極対ではないＣＲ並列回路であり、抵抗及び静電容量が固定である構成、２つのＣＲ並列回路のうち、片側が電極対ではないＣＲ並列回路であり、抵抗及び静電容量が可変である構成、または２つのＣＲ並列回路は、どちらも試料を挟んで対向する電極対である構成としてもよい。これら各構成によれば、上述したように、両側のＣＲ並列回路の静電容量と抵抗の同一性（Ｃ１＝Ｃ２、Ｒ１＝Ｒ２）の判断のみではなく、類似度またはそれぞれの抵抗や静電容量の違いなどを（Ｃ１Ｒ１＞Ｃ２Ｒ２）、（Ｃ１Ｒ１＜Ｃ２Ｒ２）、（α）、(Ｃ１／Ｃ１＋Ｃ２)、(Ｒ２／Ｒ１＋Ｒ２)、（Ｃ１Ｒ１−Ｃ２Ｒ２＝０）のいずれかまたはその組合せから判断する。

実施形態において上述した浄水器例においても、特性分析手段及び試料判断手段を備えていれば以下のことが言える。ここで、水道水と浄水処理した水の特性について補足する。一般的に、浄水処理部４１の上流側の水道水は、下流側の浄水に比べて、誘電率及び導電率が高い。すなわち、浄化が正常に行われている場合には、上流側の電極対１１であるＣＲ並列回路のコンデンサＣ１の静電容量は、下流側の電極対１２であるＣＲ並列回路のコンデンサＣ２の静電容量よりも大きい。また、上流側の電極対１１であるＣＲ並列回路の抵抗Ｒ１は、下流側の電極対１２であるＣＲ並列回路の抵抗Ｒ２よりも小さい。

仮に、浄水部４１のフィルターが２つあり、一方のフィルターが水道水の誘電率を変化させるものであり、他方のフィルターが水道水の導電率を変化させるものであるとする。このとき、２つのＣＲ並列回路の静電容量と抵抗のどちらが同じか把握できれば、どちらのフィルターが劣化しているか把握することも可能である。２つのＣＲ並列回路の静電容量が同じであれば、一方のフィルターが劣化していると把握できる。また、２つのＣＲ並列回路の抵抗が同じであれば、他方のフィルターが劣化していると把握できる。

また、本実施形態においては、電圧検出部５によって検出された出力電圧Ｖｐと記憶部３１に記憶された矩形波発生器３によって印加された電圧の１／２の電圧とを判断部３２により比較していたが、比較結果を出力する回路を構成し、この回路から出力された比較結果を判断部３２に入力してもよい。例えば、図５に示すように、矩形波発生器３のプラス端子をオペアンプＯＰ１の非反転端子に接続し、電圧検出部５によって検出された電圧をボルテージフォロアとして機能するオペアンプＯＰ２の非反転端子に接続する。そして、オペアンプＯＰ１の出力を２つの抵抗Ｒ３で１／２の電圧とした出力を、オペアンプＯＰ２の反転端子に接続する。そして、このオペアンプＯＰ２の出力電圧Ｖｏを判断部３２に出力する。

オペアンプＯＰ２から出力された出力電圧Ｖｏの出力波形について図６を参照して説明する。図６では、縦軸が出力電圧Ｖｏであり、横軸は時間である。図６（ａ）に示すように、２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗がほぼ同じであれば、オペアンプＯＰ２から出力される出力電圧Ｖｏはほぼゼロとなる。また、図６（ｂ）に示すように、２つのＣＲ並列回路の静電容量または抵抗の少なくとも一方が異なれば、オペアンプＯＰ２から出力される出力電圧Ｖｏはゼロから大きく離れた値となる。したがって、オペアンプＯＰ２から出力される出力電圧Ｖｏがゼロか否かによって、２つのＣＲ並列回路の抵抗や静電容量が同じか否かを容易に検出することができる。なお、本実施形態におけるオペアンプＯＰ１、オペアンプＯＰ２、２つの抵抗Ｒ３からなる回路が、本発明における電圧降圧回路と比較回路とを組み合わせた回路に相当する。

また、マイクロコンピュータ（マイコン）でＣとＲを可変調整して試料の絶対的な特性値を計算、表示する測定器として構成してもよい。２つのＣＲ並列回路のうち、一方のＣＲ並列回路のみが電極対であり、電極対ではない他方のＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量が可変である構成で、他方のＣＲ並列回路の可変抵抗と可変コンデンサをマイコンにより制御して電圧検出部５によって検出された出力電圧を記憶部３１に記憶している、矩形波発生器３によって印加される電圧を１／２にした矩形波の電圧を時系列の電圧データと同じになるように判断部３２へフィードバック処理を行う。これにより、試料の抵抗値と静電容量値を得ることが可能となる。ここでは、他方のＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量を双方とも可変させ制御させたが、片側のいずれかのみを可変制御させ、他方を固定としてもよい。

また、電極対の形状は、平板状に限らず、所定の間隔をあけて、ＣＲ並列回路を構成可能な形状であれば、いかなる形状であってもよい。

さらに、試料とは、ＣＲ並列回路である電極対の間に挟むことで、何も挟んでない場合に比べてＣＲ並列回路の静電容量や抵抗が異なる固有の値となる物質であれば、流体に限らず、何であってもよい。

また、試料の特性とは、試料の種類や含有物の濃度に限らず、例えば、固体であれば大きさや密度などＣＲ並列回路の静電容量や抵抗が可変する要因となるものであれば、何であってもよい。

さらに、検査装置１が制御部４を備えずに、電圧検出部５によって検出された出力電圧をオシロスコープなどでモニタリングし、オシロスコープに表示された波形をユーザが観測して試料の特性を判断してもよい。このような場合においても、電圧検出部５によって検出された出力電圧が、矩形波となっているか否かは視覚的に容易に判断可能であり、２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じか否かを容易に判断することができる。

１ 検査装置
２ センサ
３ 矩形波発生器
４ 制御部
５ 電圧検出部
１１、１２ 電極対
１３、１４ 試料
３２ 判断部

Claims (10)

1. 少なくとも一方は試料を挟んで対向する電極対である、直列に接続された２つのＣＲ並列回路と、
   前記２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加する電源回路部と、
   前記２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記２つのＣＲ並列回路に印加された矩形波電圧を１／２に降圧して出力する電圧降圧回路と、
   前記電圧降圧回路によって１／２になった電圧と、前記電圧検出部によって検出される電圧とを比較して、その差の電圧を出力する比較回路と、
   前記比較回路から出力される電圧に基づいて、前記２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じか否かを判断する判断手段と、を備えていることを特徴とするセンサ。
2. 前記２つのＣＲ並列回路のうち、一方の前記ＣＲ並列回路のみが前記電極対であり、前記電極対ではない他方の前記ＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量が固定されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記２つのＣＲ並列回路のうち、一方の前記ＣＲ並列回路のみが前記電極対であり、前記電極対ではない他方の前記ＣＲ並列回路の抵抗及び静電容量が可変であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
4. 前記２つのＣＲ並列回路は、どちらも試料を挟んで対向する電極対で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
5. ２つの電極対のうち、一方の電極対は、流体が流れる流路の上流側に配置され、他方の電極対は前記流路の下流側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
6. 前記比較回路から出力される電圧が、ほぼゼロである場合には、前記判断手段が、前記２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じであると判断することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 直列に接続された２つのＣＲ並列回路と、
   前記２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加する電源回路部と、
   前記２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を検出する電圧検出部と、を備えており、
   前記２つのＣＲ並列回路は、どちらも試料を挟んで対向する電極対で構成され、
   ２つの電極対のうち、一方の電極対は流体が流れる流路の上流側に配置され、他方の電極対は前記流路の下流側に配置されていることを特徴とするセンサ。
8. 前記電極対は、所定間隔をあけて配置された２枚の平板状電極からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサ。
9. どちらも試料を挟んで対向する電極対である、直列に接続された２つのＣＲ並列回路と、前記２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加する電源回路部と、前記２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を検出する電圧検出部と、前記２つのＣＲ並列回路に印加された矩形波電圧を１／２に降圧して出力する電圧降圧回路と、前記電圧降圧回路によって１／２になった電圧と前記電圧検出部によって検出される電圧とを比較して、その差の電圧を出力する比較回路と、前記比較回路から出力される電圧に基づいて、前記２つのＣＲ並列回路の静電容量及び抵抗の両方が互いに同じか否かを判断する判断手段とを有するセンサと、
   水を浄化するための浄水処理部とを備えており、
   ２つの電極対のうち、一方の電極対は前記浄水処理部の上流側に配置され、他方の電極対は前記浄水処理部の下流側に配置されていることを特徴とする浄水器。
10. どちらも試料を挟んで対向する電極対である、直列に接続された２つのＣＲ並列回路と、前記２つのＣＲ並列回路に矩形波電圧を印加する電源回路部と、前記２つのＣＲ並列回路の接続部の電圧を検出する電圧検出部とを有するセンサと、
    水を浄化するための浄水処理部とを備えており、
    ２つの電極対のうち、一方の電極対は前記浄水処理部の上流側に配置され、他方の電極対は前記浄水処理部の下流側に配置されていることを特徴とする浄水器。
    

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