JP5597789B2 - 静電容量式液面レベルセンサ - Google Patents

Description

本発明は、静電容量式液面レベルセンサに関するものである。

従来から、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する静電容量式液面レベルセンサが知られている（例えば特許文献１参照）。

この静電容量式液面レベルセンサは、図１１に示すように、絶縁シート３１と、検出電極３２と、接地電極３３とを有するセンサ本体３０を備えている。絶縁シート３１は、例えばプラスチックなどの変形可能な可撓性材料からなる。検出電極３２および接地電極３３は、例えば銅などの導電性材料からなり、いずれも絶縁シート３１の一方の面３１ａに形成され、互いに所定間隔をおいて配置されている。この静電容量式液面レベルセンサによれば、センサ本体３０が容器の外面に取り付けられ、または、センサ本体３０が容器内の液体に浸され、センサ本体３０によって検出電極３２および接地電極３３間の静電容量が検出され、この静電容量に基づいて容器の液面の高さ（以下、「液面レベル」と称する）が検出される。

ところで、この静電容量式液面レベルセンサによって、例えばゲージ管などの円筒形状の容器Ｂ内の液面レベルを検出する場合には、図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、検出電極３２および接地電極３３を対向させるように、センサ本体３０を容器Ｂの外面に取り付けることが一般的である。なお、図１２（ａ）において絶縁シート３１は図示していない。しかしながら、図１２（ｃ）に示すように、径の大きな容器Ｂ内の液面レベルを検出する場合には、検出電極３２および接地電極３３を対向させることができなくなる。すなわち、この静電容量式液面レベルセンサでは、容器Ｂの径の大きさに応じたサイズのセンサ本体３０が必要になるという問題がある。

また、この静電容量式液面レベルセンサでは、図１３（ａ）に示すように、例えば直方体形状の容器Ｂの一側面に取り付けて当該容器Ｂ内の液面レベルを検出することも勿論可能である。しかしながら、検出電極３２の片側だけに接地電極３３が配置されているため、図１３（ｂ）に示すように、検出電極３２に発生する電界は当該電極３２の両側において非対称に不均一に分布している。このため、この静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルは容器の形状の影響を受け易く安定しないという問題がある。

また、この静電容量式液面レベルセンサでは、図１３（ｃ）に示すように、センサ本体３０によって、検出電極３２と接地電極３３間の静電容量Ｃｄが検出されるが、この静電容量Ｃｄ以外に、静電容量式液面レベルセンサが有する電位とは異なる電位を有する周辺環境（例えば周辺機器などの物体）と検出電極３２間の静電容量Ｃｎも同時に検出される。この静電容量Ｃｎは大きなノイズとなるため、この静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルの検出精度が低くなるという問題がある。

さらに、液体を収容する容器Ｂ内の液面レベルをセンサ本体３０で検出した静電容量の変化に基づいて検出するためには、センサ本体３０によって検出された静電容量を電気信号に変換して、この電気信号を信号処理するセンサ回路が必要となるが、特許文献１にはセンサ回路の具体的な構成や信号処理方法について全く開示されていない。このため、高精度に液面レベルを検出できるようなセンサ回路を備えた静電容量式液面レベルセンサの開発が要望されていた。

特開平２００７−３０３９８２号

本発明の課題は、様々な形状の容器にも対応可能で、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する、センサ本体とセンサ回路を備えた静電容量式液面レベルセンサであって、前記センサ本体は、変形可能な可撓性材料からなる絶縁シートと、前記絶縁シートの一方の面に形成された検出電極と、前記絶縁シートの他方の面において、前記絶縁シートを介して前記検出電極と対向し、前記検出電極に対応する領域を含むように前記検出電極よりも広く形成されたガード電極と、前記絶縁シートのいずれかの面において、前記検出電極または前記ガード電極の両側部より所定距離離れた位置に、前記検出電極または前記ガード電極に対して対称的に形成された一対の接地電極を有し、前記検出電極と前記接地電極間の静電容量を検出するようになっており、前記センサ回路は、前記センサ本体に接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換し、前記電気信号を信号処理して、前記液面レベルを検出するようになっていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサとしたものである。

この構成によれば、絶縁シートのいずれかの面において検出電極の両側部より所定距離離れた位置に一対の接地電極が形成されているため、センサ本体を例えばゲージ管などの円筒形状の容器の外面に取り付けて当該容器の液面レベルを検出する場合において、容器の径にかかわらず、検出電極および接地電極を対向させ易くすることができる。このため、様々な径の大きさの容器に対応可能な静電容量式液面レベルセンサを提供できる。
また、一対の接地電極が検出電極に対して対称的に形成されているので、検出電極に発生する電界が当該電極の両側において対称に均一に分布し、静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルは、直線性を有し、容器の形状の影響を受けにくく安定したものとなる。

本発明の好ましい第１実施例によれば、上記構成において、前記センサ回路は、静電容量−電圧変換回路と液面レベル演算回路から構成され、前記静電容量−電圧変換回路が、前記センサ本体と接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電圧信号に変換するようになっており、前記液面レベル演算回路が、前記静電容量−電圧変換回路の後段に接続され、前記静電容量−電圧変換回路によって変換された電圧信号を信号処理して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを演算するようになっている。

上記第１実施例においてより好ましくは、前記静電容量−電圧変換回路は、バッファー回路とＡ／Ｄ変換回路を含み、前記液面レベル演算回路は、デジタル信号処理回路とＤ／Ａ変換回路を含み、前記バッファー回路が前記検出電極および前記ガード電極に接続され、前記バッファー回路を介して前記ガード電極が検出電極と同一電位に保持されており、前記Ａ／Ｄ変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号に変換するようになっており、前記デジタル信号処理回路が、前記Ａ／Ｄ変換回路によって変換されたデジタル信号を信号処理して前記Ｄ／Ａ変換回路に出力するようになっており、前記Ｄ／Ａ変換回路が、前記デジタル信号処理回路によって信号処理されたデジタル信号をＤ／Ａ変換して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを算出するようになっている。

この構成によれば、上記と同様の効果が得られる上に、バッファー回路を介して検出電極とガード電極が同電位に保持されているので、センサ本体によって、検出電極と接地電極間の静電容量のみが検出され、この静電容量以外の、静電容量式液面レベルセンサが有する電位とは異なる電位を有する周辺環境（例えば周辺機器などの物体）と検出電極間の静電容量は検出されなくなる。このため、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。

本発明の好ましい第２実施例によれば、上記構成において、前記Ａ／Ｄ変換回路は、シグマ−デルタ変換回路からなり、前記シグマ−デルタ変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をシグマ−デルタ変調してデジタル信号に変換するようになっている。

この構成によれば、Ａ／Ｄ変換回路として高分解能なシグマ−デルタ変換回路を用いているので、より高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。

上記発明の構成において、前記検出電極および前記ガード電極は、同軸ケーブルを介して前記バッファー回路に接続されることが好ましい。

また、上記発明の構成において、前記検出電極、前記ガード電極および前記接地電極はいずれも、前記容器内の液面レベルの増減方向にのびるように縦長形状に形成されていることが好ましい。

さらに、上記発明の構成において、前記検出電極および前記ガード電極はいずれも、導電性を有する透明電極からなり、前記検出電極および前記ガード電極のうちの一方または両方の電極の表面には、前記透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料あるいは金属箔からなり、前記容器内の液面位置を示す目盛部が形成されていることが好ましい。

ここで、検出電極およびガード電極として透明電極を使用する場合には、透明電極のシート抵抗値は一般的に大きく、電極間の静電容量の検出時に当該シート抵抗の影響を受け易くなるため、液面レベルの検出精度が低下する可能性がある。しかしながら、上記発明の構成において、検出電極およびガード電極のうちの一方または両方の電極の表面に、透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料あるいは金属箔からなる目盛部を形成し、実質的に透明電極のシート抵抗を低下させたので、透明電極を使用した場合にも、液面レベルの検出精度の低下を防止することができる。また、目盛部は透明電極の表面に形成されているので、容器内の液面位置を直接目視によって確認することもできる。

本発明によれば、様々な形状の容器にも対応可能で、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。

（ａ）は本発明の第１実施例による静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。 図１の静電容量式液面レベルセンサのセンサ回路を示すブロック図である。 図２のセンサ回路の静電容量−電圧変換回路と液面レベル演算回路の一構成例を示す回路図である。 図１の静電容量式液面レベルセンサの検出電極と接地電極間の静電容量Ｃｄを等価回路的に示した図である。 図１の静電容量式液面レベルセンサで検出される静電容量の変化率と液面レベルの関係を示したグラフである。 図３のＡ／Ｄ変換回路の一構成例であるシグマ−デルタ変換回路を示す回路図である。 図６のシグマ−デルタ変換回路の動作を説明する動作チャートである。 （ａ）は図１の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を径の小さな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図であり、（ｂ）は図１のセンサ本体を径の大きな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図である。 （ａ）は図１の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を直方体形状の容器の一側面に取り付けた状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）における検出電極に生じる電界分布を示す断面図であり、（ｃ）は（ｂ）における検出電極と接地電極間に発生する静電容量を等価回路的に示した図である。 （ａ）は第１実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第１変形例を示す上面図であり、（ｂ）は第１実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第２変形例を示す上面図であり、（ｃ）は第１実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第３変形例を示す上面図であり、（ｄ）は第１実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第４変形例を示す上面図であり、（ｅ）は第１実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の第５変形例を示す上面図である。 （ａ）は従来の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。 （ａ）は従来の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を径の小さな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるセンサ本体を当該容器上方からみた断面図であり、（ｃ）は、従来の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を径の大きな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図である。 （ａ）は従来の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を直方体形状の容器の一側面に取り付けた状態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の検出電極に生じる電界分布を示す断面図であり、（ｃ）は（ｂ）における検出電極と接地電極間に発生する静電容量を等価回路的に示した図である。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

（第１実施例）
図１（ａ）は本発明の第１実施例による静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。また、図２はこの静電容量式液面レベルセンサのセンサ回路を示すブロック図である。

この静電容量式液面レベルセンサは、液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出するものであって、図１および図２に示すように、センサ本体１とセンサ回路９を備える。

センサ本体１は、図１に示すように、絶縁シート２と、検出電極３と、ガード電極４と、一対の接地電極５、６とを有する。絶縁シート２は、例えばプラスチックなどの変形可能な可撓性材料からなる。検出電極３は、絶縁シート２の一方の面２ａに形成されている。ガード電極４は、絶縁シート２の他方の面２ｂにおいて、絶縁シート２を介して検出電極３と対向し、検出電極３に対応する領域を含むように検出電極３よりも広く形成されている。一対の接地電極５、６は、それぞれ、絶縁シートの他方の面２ｂにおいて、検出電極３またはガード電極４の両側部より所定距離離れた位置に、検出電極３またはガード電極４に対して対称的に形成されている。検出電極３、ガード電極４および一対の接地電極５，６はいずれも、例えば銅やアルミニウムなどの導電性材料からなる。一対の接地電極５、６はいずれも、図示しないグランド電位（接地電位）に接地されている。そして、センサ本体１は、検出電極３と接地電極５、６間の静電容量を検出する。

センサ回路９は、図２に示すように、センサ本体１に接続され、センサ本体１によって検出された静電容量を電気信号に変換し、電気信号を信号処理して、液面レベルを検出する。この実施例では、センサ本体１とセンサ回路９は、ケーブル７、８および電極端子を介して接続されている。電極端子は、検出電極用、ガード電極用および接地電極用の端子から構成される。検出電極３およびガード電極４は同軸ケーブル７を介してそれぞれ検出電極用およびガード電極用の端子に接続され、一対の接地電極５、６はケーブル８を介して接地電極用の端子に接続される。検出電極３、ガード電極４および接地電極５、６は１本の２重構造のシールドを介して電極端子に接続されてもよい。

センサ回路９は、図２に示すように、静電容量−電圧変換回路１０と液面レベル演算回路２０から構成される。静電容量−電圧変換回路１０は、センサ本体１と接続され、センサ本体１によって検出された静電容量を電圧信号に変換する。また、液面レベル演算回路２０は、静電容量−電圧変換回路１０の後段に接続され、静電容量−電圧変換回路１０によって変換された電圧信号を信号処理して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算する。

図３は、図２のセンサ回路の静電容量−電圧変換回路１０と液面レベル演算回路２０の一構成例を示す回路図である。
図３に示すように、静電容量−電圧変換回路１０は、バッファー回路１１とＡ／Ｄ変換回路１２を含む。また、液面レベル演算回路２０は、デジタル信号処理回路２１とＤ／Ａ変換回路２２を含む。

この実施例では、バッファー回路１１は、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、コンデンサＣ１およびバッファーアンプ１１ａから構成される。バッファー回路１１の一方の入力端（同相入力）には、検出電極３が抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１および抵抗Ｒ２を介して接続され、バッファー回路１１の出力端には、ガード電極４が接続されている。また、バッファー回路１１の他方の入力端（逆相入力）と出力端は、抵抗Ｒ３を介して接続されている。ガード電極４は、バッファー回路１１のバッファーアンプ１１ａを介して検出電極３と同一電位に保持されている。

Ａ／Ｄ変換回路１２は、検出電極３と接地電極５、６間の電位差に応じた電圧信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号に変換する。また、デジタル信号処理回路２１は、Ａ／Ｄ変換回路１２によって変換されたデジタル信号を信号処理してＤ／Ａ変換回路２２に出力する。Ｄ／Ａ変換回路２２は、デジタル信号処理回路２１によって信号処理されたデジタル信号をＤ／Ａ変換して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算する。Ｄ／Ａ変換回路２２によって演算された液面レベルは、外部端子を介して、図示しない表示装置などに表示される。

次に、この静電容量式液面レベルセンサの動作原理について簡単に説明する。
図４は、第１実施例の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体１を円筒形状の容器Ｂの外面に取り付けて検出電極３および接地電極５、６を対向させて配置した状態の、検出電極３と接地電極５、６間の静電容量Ｃｄを等価回路的に示した図である。なお、図４において、絶縁シート２は図示していない。また、動作原理の説明の簡略化のため、図４において、検出電極３および接地電極５、６は、容器Ｂの直径に相当する距離だけ離れて配置された平行平板のコンデンサとみなし、容器Ｂの厚みや絶縁シート２の厚みによる静電容量は無視できるものとする。

まず、容器Ｂに液体がない状態での単位液面レベルＸｏ＝１あたりの静電容量をＣｓとすると、比誘電率εｒの液体が入った場合の単位液面レベルＸｏ＝１あたりの静電容量Ｃｒは、Ｃｒ＝εｒ×Ｃｓとなる。これより、図４に示すように、長さＬの検出電極３の単位液面レベルＸｏ＝１を基準として液面レベルＸｏ＋Ｘまで液体が入った場合の、検出電極３および接地電極５、６間の静電容量Ｃｄは、比誘電率εｒの液体が存在する部分の静電容量Ｃａと、液体が無い部分の静電容量Ｃｂとを足し合わせたものなり、以下の（１）式で算出される。

また、単位液面レベルＸｏ＝１まで液体が入った場合の、検出電極３および接地電極５、６間の静電容量（基準静電容量）Ｃｏは、以下の（２）式で算出される。

このとき、静電容量Ｃｄの基準静電容量Ｃｏに対する変化率は、以下の（３）式で算出される。

ここで、Ｌ＝（εｒ−１）×Ｍと表せば、（３）式は、以下の（４）式となる。

したがって、液面レベルＸは、（４）式を変形することにより、以下の（５）式、

より算出される。よって、図５に示すように、液面レベルＸは、静電容量の変化率（Ｃｄ−Ｃｏ）／Ｃｏに比例し、変化率（Ｃｄ−Ｃｏ）／Ｃｏを求めることにより検出される。

変化率（Ｃｄ−Ｃｏ）／Ｃｏは、以下のようにして算出される。
まず、静電容量Ｃｏについては、容器Ｂに液体がない状態での検出電極３と接地電極５、６間の静電容量をセンサ本体１によって検出し、センサ本体１によって検出された静電容量を電圧信号に変換して、電圧信号をＡ／Ｄ変換回路１２によってデジタル信号Ｖに変換する。そして、このデジタル信号Ｖは長さＬに相当する部分の静電容量に対応するものであるから、デジタル信号処理回路２１によって、このデジタル信号Ｖの大きさをＬで乗算することにより、単位レベルＸｏ＝１あたりの静電容量Ｃｓに対応するデジタル信号Ｖｏ＝Ｖ／Ｌを生成する。さらに、デジタル信号処理回路２１によって、このデジタル信号Ｖｏを、（２）式に対応させるべく、Ｖｏ’＝Ｖｏ×｛（εｒ−１）×Ｘｏ＋Ｌ｝に変換する。
次に、静電容量Ｃｄについては、容器Ｂに液体が液面レベルＸｏ＋Ｘまで入った状態での検出電極３と接地電極５、６間の静電容量をセンサ本体１によって検出し、センサ本体１によって検出された静電容量を電圧信号に変換して、電圧信号をＡ／Ｄ変換回路１２によってデジタル信号Ｖｄに変換する。
さらに、デジタル信号処理回路によって、上記（５）式の（Ｃｄ−Ｃｏ）／Ｃｏに対応するデジタル値（Ｖｄ−Ｖｏ’）／Ｖｏ’を算出し、このデジタル値をＤ／Ａ変換回路２２によってＤ／Ａ変換して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算する。あるいは、デジタル信号処理回路によって、上記（５）式に対応するデジタル値（Ｖｄ−Ｖｏ’）／Ｖｏ’×（Ｘｏ＋Ｍ）を算出し、このデジタル値をＤ／Ａ変換回路２２によってＤ／Ａ変換して、電圧信号の大きさに基づいて液面レベルを演算するようにしてもよい。

（第２実施例）
図６は、図３のＡ／Ｄ変換回路の一構成例であるシグマ−デルタ変換回路を示す回路図である。第２実施例は、Ａ／Ｄ変換回路をシグマ−デルタ変換回路で構成した点のみが、第１実施例と異なっている。よって、図６を参照して、シグマ−デルタ変換回路の構成および動作原理についてのみ、簡単に説明する。

シグマ−デルタ変換回路１２は、検出電極３および接地電極４間の電位差に応じた電圧信号をシグマ−デルタ変調してデジタル信号に変換する回路である。図６に示すように、シグマ−デルタ変換回路１２は、スイッチング回路１３、クロック回路１４、シグマ−デルタ変調器１５およびビットストリーム回路１６からなる。

スイッチング回路１３は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を有する。スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、コンデンサＣｘを介して接地電極４の接地線と接続されている。
クロック回路１４は、クロックパルス生成回路１４ａおよび基準パルス生成回路１４ｂを有する。クロックパルス生成回路１４ａは、Ｐｈ１およびＰｈ２なるランダムパルスを生成し、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２をスイッチング制御する。基準パルス発生回路１４ｂは、後述するラッチ回路を基準パルスＶｃ１の立ち上がりで制御する。
シグマ−デルタ変調器１５は、放電回路１５ａ、比較器（コンパレータ）１５ｂ、ラッチ回路１５ｃを含む。放電回路１５ａは放電抵抗Ｒ４からなる。スイッチング素子ＳＷ２の後段と接地電極５，６の接地線の間には、コンデンサＣｍｏｄ、ならびに、放電回路１５ａおよびスイッチング素子ＳＷ３の直列回路が介在している。ここで、コンデンサＣｍｏｄの静電容量は、コンデンサＣｘの静電容量よりも十分大きい。また、比較器１５ｂの一方の入力端には、コンデンサＣｍｏｄの両端電圧ｖｍｏｄが入力され、比較器１５ｂの他方の入力端には基準電圧ｖｒｅｆが入力される。比較器１５ｂは、電圧ｖｍｏｄが基準電圧ｖｒｅｆを越えたときに、後段のラッチ回路１５ｃをオンさせ、電圧ｖｍｏｄが基準電圧ｖｒｅｆ以下のときには、後段のラッチ回路１５ｃをオフさせる。ラッチ回路１５ｃは、比較器１５ｂの出力に基づいてスイッチング素子ＳＷ３を制御する。
ビットストリーム回路１６は、基準パルス生成回路１４ｂおよびラッチ回路１５ｃの後段に接続され、一定時間内のラッチされた基準パルスＶｃ１の数をカウントして出力する。

図７（ａ）はランダムパルスＰｈ１の時間波形を示すグラフ、（ｂ）はランダムパルスＰｈ２の時間波形を示すグラフ、（ｃ）はｖｍｏｄの時間波形を示すグラフ、（ｄ）はＶｃ１の時間波形を示すグラフ、（ｅ）はスイッチング素子ＳＷ３の時間波形を示すグラフである。

図７に示すように、シグマ−デルタ変換回路の各部分の動作は以下のようになる。
まず、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、ランダムな周期およびパルス幅を有し、互いに位相の異なるランダムパルスＰｈ１、Ｐｈ２が、クロックパルス生成回路１４ａからそれぞれスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に対して出力される。このとき、スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２は、同時にオンしないように、互い違いにオン、オフされる。
次に、スイッチング素子ＳＷ１がオンすると、未知の静電容量Ｃｘはすぐに電圧ｖｄｄに充電される。ここで、電圧ｖｄｄはバッファー回路１１からＡ／Ｄ変換回路（デルタシグマ変換回路）１２に入力される検出電極３の電位と接地電極５、６の接地電位間の電位差に応じた電圧信号である。そして、スイッチング素子ＳＷ１がオフしてスイッチング素子ＳＷ２がオンすると、コンデンサＣｘに蓄えられた電荷がコンデンサＣｍｏｄに移動する。コンデンサＣｍｏｄの静電容量はコンデンサＣｘの静電容量に比べて大きいため、コンデンサＣｘの両端の電圧は低下する。さらに、スイッチング素子ＳＷ１がオンして、スイッチング素子ＳＷ２がオフすると、コンデンサＣｘが充電され、コンデンサＣｘに電圧ｖｄｄが充電される。これを繰り返して、図７（ｃ）に示すように、コンデンサＣｍｏｄの両端の電圧ｖｍｏｄがｖｄｄに向かって充電される。
そして、図７（ｃ）および（ｅ）に示すように、コンデンサＣｍｏｄの電圧ｖｍｏｄが基準電圧ｖｒｅｆを超えたとき、ラッチ回路１５ｃが動作してスイッチング素子ＳＷ３がオンする。スイッチング素子ＳＷ３がオンすると、放電回路１５ａによって、コンデンサＣｍｏｄの電荷が放電され、電圧ｖｍｏｄが低下していく。
図７（ｄ）に示すように、ラッチ回路１５ｃが動作する時間は一定周期の基準パルスＶｃ１の立ち上がりで制御され、電圧ｖｍｏｄは、コンデンサＣｍｏｄの電荷の充放電が繰り返されることで、基準電圧ｖｒｅｆの間を上下変動する。
コンデンサＣｘの未知の静電容量が大きくなると、コンデンサＣｍｏｄに移動する電荷が多くなるため、これを放電させるスイッチング素子ＳＷ３の頻度が多くなり、スイッチング素子ＳＷ３のオン時間が多くなる。したがって、ビットストリーム回路１６によって一定時間内のラッチされた基準パルスＶｃ１のカウント数を計測することにより、電圧信号ｖｄｄをシグマ−デルタ変換（変調）したデジタル信号に変換できる。シグマ−デルタ変換回路によって変換されたデジタル信号は、デジタル信号処理回路２１によって、上述の通り信号処理されて、Ｄ／Ａ変換回路２２に出力される。

シグマ−デルタ変換回路は、静電容量を直接デジタル信号に変換しているので、ダイナミックレンジが大きく、高分解能なデジタル信号を生成することができる。また、検出電極は比較的インピーダンスの低い回路に接続されるのでノイズの影響を受けにくい状態に保たれているので、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。

また、図８（ａ）は、図１の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を径の小さな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図であり、（ｂ）は図１のセンサ本体を径の大きな円筒形状の容器の外面に取り付けた状態を示す、当該容器上方からみた断面図である。
この静電容量式液面レベルセンサでは、絶縁シート２の他方の面において検出電極３の両側部より所定距離離れた位置に一対の接地電極５、６が形成されている。したがって、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、センサ本体１を例えばゲージ管などの円筒形状の容器Ｂの外面に取り付けて当該容器Ｂの液面レベルを検出する場合において、容器Ｂの径にかかわらず、検出電極３および接地電極５、６を対向させ易くすることができる。このため、様々な径の大きさの容器に対応可能な静電容量式液面レベルセンサを提供できる。

また、図９（ａ）は図１の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体を直方体形状の容器の一側面に取り付けた状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）における検出電極に生じる電界分布を示す断面図であり、（ｃ）は（ｂ）における検出電極と接地電極間に発生する静電容量を等価回路的に示した図である。
この静電容量式液面レベルセンサでは、一対の接地電極５、６が検出電極３に対して対称的に形成されているので、図９（ｂ）に示すように、検出電極３に発生する電界は当該電極３の両側において対称に均一に分布する。したがって、静電容量式液面レベルセンサで検出される液面レベルは、容器の形状の影響を受けにくく安定したものとなる。

さらに、この静電容量式液面レベルセンサでは、検出電極３の背面に配置されたガード電極４はバッファー回路１１を介して検出電極３と同電位に保持されているので、検出電極３の表面と接地電極５、６の表面に形成される静電容量Ｃｄのみが検出され、この静電容量Ｃｄ以外の、静電容量式液面レベルセンサが有する電位とは異なる電位を有する周辺環境（例えば周辺機器などの物体）と検出電極間の静電容量は検出されなくなる。このため、高精度に液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサを提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の構成はこれらの実施形態に限定されるものではない。

センサ本体１は、図１に示した構造に限定されるものではなく、例えば、図１０（ａ）〜（ｅ）に示すような構造であってもよい。

（第１変形例）
図１０（ａ）の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体１は、接地電極５，６が絶縁シート２の一方の面２ａに形成されている点のみが第１実施例のものと異なるだけである。

（第２変形例）
また、図１０（ｂ）の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体１は、接地電極５，６がそれぞれ絶縁シート２の一方の面２ａおよび他方の面２ｂに形成されている点のみが第１実施例のものと異なるだけである。

（第３変形例）
また、図１０（ｃ）の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体１は、接地電極５，６が短絡用電極１７を介して互いに接続されている点のみが第１実施例のものと異なるだけである。

（第４変形例）
また、図１０（ｄ）の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体１は、接地電極５，６が絶縁シート２の一方の面２ａに形成されて短絡用電極１７を介して互いに接続されている点のみが第１実施例のものと異なるだけである。

（第５変形例）
さらに、図１０（ｅ）の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体１は、検出電極３、ガード電極４および接地電極５、６が導電性を有する透明電極で構成されている点、および、ガード電極４の表面に当該透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料からなる目盛部３４が形成されている点が第１変形例のものと異なっている。一般的に、透明電極を使用する場合には、透明電極のシート抵抗値は大きく、電極間の静電容量の検出時に当該シート抵抗の影響を受け易くなるため、液面レベルの検出精度が低下する可能性がある。特に、ガード電極４のシート抵抗が大きくなると、ガード機能が低下して、液面レベルの検出が不安定な状態になる。そこで、当該実施例では、ガード電極４の表面に高い導電性を有する塗料からなる梯子状の目盛部３４を形成することによって、実質的に透明電極のシート抵抗を低下させたので、これらの問題を解決することができる。また、この目盛部は透明電極の表面に形成されているので、容器内の液面位置を直接目視によって確認することも可能となり、液面レベルの検出において非常に有益である。なお、目盛部３４の形状は、梯子状に限定されるものでなく、容器内の液面位置を示すものであれば、格子状など様々な形状とすることができる。また、目盛部３４は、塗料に限定されるものではなく、金属箔などの金属層またはその他の高導電性部材からなっていてもよい。さらに、目盛部３４がガード電極以外の検出電極や接地電極の表面に形成されてもよいことは言うまでも無い。

１ センサ本体
２ 絶縁シート
２ａ 一方の面
２ｂ 他方の面
３ 検出電極
４ ガード電極
５、６ 接地電極
７ ケーブル（同軸ケーブル）
８ ケーブル
９ センサ回路
１０ 静電容量−電圧変換回路
１１ バッファー回路
１１ａ バッファーアンプ
１２ Ａ／Ｄ変換回路
１３ スイッチング回路
１４ クロック回路
１４ａ クロックパルス生成回路
１４ｂ 基準パルス生成回路
１５ シグマ−デルタ変調器
１５ａ 放電回路
１５ｂ 比較器（コンパレータ）
１５ｃ ラッチ回路
１６ ビットストリーム回路
１７ 短絡用電極
２０ 液面レベル演算回路
２１ デジタル信号処理回路
２２ Ｄ／Ａ変換回路
３０ センサ本体
３１ 絶縁シート
３１ａ 一方の面
３１ｂ 他方の面
３２ 検出電極
３３ 接地電極
３４ 目盛部
Ｂ 容器
Ｃ１、Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｄ、Ｃｍｏｄ、Ｃｎ、Ｃｘ 静電容量（コンデンサ）
Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗
Ｒ４ 放電抵抗
ＳＷ１〜ＳＷ３ スイッチング素子

Claims (7)

1. 液体を収容する容器内の液面レベルを静電容量の変化に基づいて検出する、センサ本体とセンサ回路を備えた静電容量式液面レベルセンサであって、
   前記センサ本体は、変形可能な可撓性材料からなる絶縁シートと、前記絶縁シートの一方の面に形成された検出電極と、前記絶縁シートの他方の面において、前記絶縁シートを介して前記検出電極と対向し、前記検出電極に対応する領域を含むように前記検出電極よりも広く形成されたガード電極と、前記絶縁シートのいずれかの面において、前記検出電極または前記ガード電極の両側部より所定距離離れた位置に、前記検出電極または前記ガード電極に対して対称的に形成された一対の接地電極を有し、前記検出電極と前記接地電極間の静電容量を検出するようになっており、
   前記センサ回路は、前記センサ本体に接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電気信号に変換し、前記電気信号を信号処理して、前記液面レベルを検出するようになっていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
2. 前記センサ回路は、静電容量−電圧変換回路と液面レベル演算回路から構成され、
   前記静電容量−電圧変換回路が、前記センサ本体と接続され、前記センサ本体によって検出された静電容量を電圧信号に変換するようになっており、
   前記液面レベル演算回路が、前記静電容量−電圧変換回路の後段に接続され、前記静電容量−電圧変換回路によって変換された電圧信号を信号処理して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを演算するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式液面レベルセンサ。
3. 前記静電容量−電圧変換回路は、バッファー回路とＡ／Ｄ変換回路を含み、
   前記液面レベル演算回路は、デジタル信号処理回路とＤ／Ａ変換回路を含み、
   前記バッファー回路が前記検出電極および前記ガード電極に接続され、前記バッファー回路を介して前記ガード電極が前記検出電極と同一電位に保持されており、
   前記Ａ／Ｄ変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号に変換するようになっており、
   前記デジタル信号処理回路が、前記Ａ／Ｄ変換回路によって変換されたデジタル信号を信号処理して前記Ｄ／Ａ変換回路に出力するようになっており、
   前記Ｄ／Ａ変換回路が、前記デジタル信号処理回路によって信号処理されたデジタル信号をＤ／Ａ変換して、前記電圧信号の大きさに基づいて前記液面レベルを算出するようになっていることを特徴とする請求項２に記載の静電容量式液面レベルセンサ。
4. 前記Ａ／Ｄ変換回路は、シグマ−デルタ変換回路からなり、
   前記シグマ−デルタ変換回路が、前記検出電極と前記接地電極間の電位差に応じた電圧信号をシグマ−デルタ変調してデジタル信号に変換するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の静電容量式液面レベルセンサ。
5. 前記検出電極および前記ガード電極は、同軸ケーブルを介して前記バッファー回路に接続されることを特徴とする請求項３または４に記載の静電容量式液面レベルセンサ。
6. 前記検出電極、前記ガード電極および前記接地電極はいずれも、前記容器内の液面レベルの増減方向にのびるように縦長形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の静電容量式液面レベルセンサ。
7. 前記検出電極および前記ガード電極はいずれも、導電性を有する透明電極からなり、
   前記検出電極および前記ガード電極のうちの一方または両方の電極の表面には、前記透明電極の電極材料よりも高い導電性を有する塗料あるいは金属箔からなり、前記容器内の液面位置を示す目盛部が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の静電容量式液面レベルセンサ。

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