JP6723084B2

JP6723084B2 - 流動体の表面位置検出装置およびセンサ情報送信装置

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Publication number: JP6723084B2
Application number: JP2016118001A
Authority: JP
Inventors: 内貴　崇; 崇内貴; 智堺谷
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-06-14
Also published as: JP2017223498A

Description

本発明は流動体の表面位置を検出する装置およびそれを備えたセンサ情報送信装置に関する。

電極間の静電容量を測定することで電極間に存在する流動体の表面位置を検出する装置が従来から種々提案されている。

例えば特許文献１で提案されている水位センサは、一対の測定用電極間の静電容量を測定することで一対の測定用電極間に存在する液体の水位を検出している。

また例えば特許文献２で提案されている水位センサは、低水位側から高水位側に向かう基準線に沿って所定間隔で順に定義された複数ｎ個の観測点位置に配置されたｎ組の電極対を備え、第ｉ番目までの電極対の各電極間容量値が所定の基準値を超えた場合に第ｉ番目の観測点の位置を水位としている。

特開平１１−２２３５４５号公報特開平１１−３１１５６２号公報

上述した特許文献１で提案されている水位センサは、一対の測定用電極間の静電容量の絶対値を測定することで一対の測定用電極間に存在する液体の水位を検出している。一対の測定用電極間の静電容量の絶対値は、一対の測定用電極間に存在する液体の水位が同一であっても液体の温度や組成などの影響を受けて大きく変動する。このため、上述した特許文献１で提案されている水位センサは検出精度が低いという問題を有している。ここで、特許文献１で提案されている水位センサでは、水位と静電容量値とがほぼ線形関係を示すことを利用して、水位が最低位置θ０にあるときの静電容量値ＣＬＯＷと水位が最高位置θ２にあるときの静電容量値ＣＨＩＧＨとを予め実際に測定しておき、静電容量値ＣＬＯＷ及び静電容量値ＣＨＩＧＨと実際に得られた現在の静電容量値Ｃとから、現在の水位θ１を求めている。このキャリブレーションを実施することで、センサの個体差などによる測定誤差を少なくすることができる。しかしながら、温度、液体の種類などの条件が静電容量値ＣＬＯＷおよびＣＨＩＧＨの測定時から変化すれば検出誤差の要因になる。

そこで、特許文献１では、検出精度を高めるための工夫として、一対の参照用電極間の静電容量の絶対値も測定し、一対の測定用電極間の静電容量の絶対値と一対の参照用電極間の静電容量の絶対値から一対の測定用電極間に存在する液体の水位を検出することを提案している。この検出精度を高めるための工夫は、一対の参照用電極間に存在する液体と一対の測定用電極間に存在する液体が同一の状態であることを前提としている。しかしながら、一対の参照用電極間に存在する液体と一対の測定用電極間に存在する液体は互いに遠く離れた場所に存在しているため、同一の状態である保証は無い。例えば、液体の温度分布、濃度分布が一様で無い場合には一対の参照用電極間に存在する液体と一対の測定用電極間に存在する液体が大きく異なる状態になり得る。したがって、特許文献１で提案されている検出精度を高めるための工夫は検出精度が高くなると言い切れるものではない。また、特許文献１では、測定用電極および参照用電極が液体に接しない構成であるが、測定用電極および参照用電極が液体に浸かる構成にした場合、水位測定範囲の下限に相当する水位レベルでは参照用電極が完全に液体に浸かることになる。この場合、参照用電極に接続される電線が水位測定範囲の上限に相当する水位レベルよりも上方から引き回されることになり、構造が複雑になるという問題が生じる。

また上述した特許文献２で提案されている水位センサは、複数ｎ個の観測点位置刻みでしか水位を検出することができない。このため、上述した特許文献２で提案されている水位センサは複数ｎ個の観測点位置に配置されるｎ組の電極対の組数を増やさなければ検出精度を高めることができないという問題を有している。

本発明は、上記の状況に鑑み、多数の電極対を設けなくても検出精度が高い流動体の表面位置検出装置およびそれを備えたセンサ情報送信装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る流動体の表面位置検出装置は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と対になる第３電極と、前記第２電極と対になる第４電極と、前記第１電極及び前記第３電極間の静電容量である第１静電容量と前記第２電極及び前記第４電極間の静電容量である第２静電容量とに基づいて流動体の表面位置を検出する検出部と、を備え、前記検出部の検出範囲において、前記第１電極の前記流動体に対面している領域の面積である第１面積と前記第２電極の前記流動体に対面している領域の面積である第２面積とがそれぞれ前記流動体の表面位置が高いほど大きくなり、前記第１面積と前記第２面積との比率が前記流動体の表面位置に応じて一意に定まる構成（第１の構成）とする。

また、上記第１の構成である流動体の表面位置検出装置において、前記検出部が、前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率に基づいて前記流動体の表面位置を検出する構成（第２の構成）としても良い。

また、上記第１の構成である流動体の表面位置検出装置において、前記検出部が、前記第１静電容量を補正した第１補正静電容量と前記第２静電容量を補正した第２補正静電容量との比率に基づいて前記流動体の表面位置を検出する構成（第３の構成）としても良い。

また、上記第２又は第３の構成である流動体の表面位置検出装置において、前記流動体の表面位置の増加量に対する前記第１面積の増加量が前記流動体の表面位置が高いほど小さくなる構成（第４の構成）としても良い。

また、上記第２〜第４いずれかの構成である流動体の表面位置検出装置において、前記流動体の表面位置の増加量に対する前記第２面積の増加量が前記流動体の表面位置が高いほど大きくなる構成（第５の構成）としても良い。

また、上記第１〜第３いずれかの構成である流動体の表面位置検出装置において、前記流動体の表面位置が第１閾値以上第２閾値未満のときは前記第１面積が正の値であり且つ前記第２面積が零であり、前記流動体の表面位置が前記第２閾値以上のときは前記第２面積が前記第１面積より小さい正の値である構成（第６の構成）としても良い。

また、上記第６の構成である流動体の表面位置検出装置において、前記流動体の表面位置が前記第２閾値以上のときは前記流動体の表面位置の増加量に対する前記第１面積の増加量と、前記流動体の表面位置の増加量に対する前記第２面積の増加量とが略等しい構成（第７の構成）としても良い。

また、上記第１〜第７いずれかの構成である流動体の表面位置検出装置において、前記第３電極と前記第４電極が一体化又は共通化されている構成（第８の構成）としても良い。

また、上記第１〜第８いずれかの構成である流動体の表面位置検出装置において、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極、及び前記第４電極それぞれと前記流動体との接触を防止する絶縁部材を備える構成（第９の構成）としても良い。

また、本発明に係るセンサ情報無線送信装置は、少なくとも一つのセンサと、前記少なくとも一つのセンサによって検出された情報を無線送信する通信部と、を備え、前記少なくとも一つのセンサが上記第１〜第９いずれかの構成である流動体の表面位置検出装置を含む構成（第１０の構成）とする。

本発明によれば、多数の電極対を設けなくても流動体の表面位置検出装置の検出精度を高くすることができる。

第１実施形態に係る水位センサの概略斜視図第１電極、第２電極、及び共通電極を示す図共通電極を示す図検出部の一構成例を示す図検出部の他の構成例を示す図水位レベルと第１面積、第２面積、及び第１静電容量に対する第２静電容量の比との関係を示す表水位レベルと第１静電容量に対する第２静電容量の比との関係を示すグラフ第２実施形態に係る水位センサの概略斜視図第２実施形態に係る第１〜第４電極を示す図第２実施形態に係る検出部の一構成例を示す図第３実施形態に係る第１電極、第２電極、及び共通電極を示す図第４実施形態に係るセンサ情報送信装置の概略構成図第４実施形態に係るセンサ情報送信装置の概略斜視図第１電極、第２電極、及び共通電極の変形例を示す図第１電極、第２電極、及び共通電極の他の変形例を示す図第１電極、第２電極、及び共通電極の更に他の変形例を示す図水位レベルと第１面積、第２面積、及び第１静電容量に対する第２静電容量の比との関係を示す表水位レベルと第１静電容量に対する第２静電容量の比との関係を示すグラフ第２実施形態に係る第１〜第４電極の変形例を示す図

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る水位センサ１０１の概略斜視図である。水位センサ１０１は流動体の表面位置検出装置の一例であって水の表面位置（水位）を検出するセンサである。

水位センサ１０１は、第１電極１と、第２電極２と、共通電極３と、第１絶縁部材４と、第２絶縁部材５と、検出部６（図１において不図示）とを備えている。第１絶縁部材４及び第２絶縁部材５はそれぞれ平板形状であり互いの主面が正対するように平行配置されている。第１電極１及び第２電極２が第１絶縁部材４の第２絶縁部材５に対向する主面に配置されており、共通電極３が第２絶縁部材５の第１絶縁部材４に対向する主面に配置されている。第１絶縁部材４と第２絶縁部材５との間を含む第１絶縁部材４及び第２絶縁部材５の周辺に存在し得る水の表面位置（水位）はｚ方向に上下する。

検出部６は、第１電極１及び共通電極３間の静電容量である第１静電容量と第２電極２及び共通電極３間の静電容量である第２静電容量とに基づいて水の表面位置（水位）を検出する。

図２は、ｙ方向から見た第１電極１、第２電極２、及び共通電極３を示す図である。図２において、第１電極１及び第２電極２の外形は実線で示し、共通電極３の外形は太い点線で示している。第１電極１及び第２電極２の外形は同一の直角三角形形状であり、第１電極１の直角三角形形の底辺上に水位レベル０％ラインが設定され、第２電極２の直角三角形形の底辺上に水位レベル１００％ラインが設定される。つまり、第１電極１の直角三角形形の底辺から第２電極２の直角三角形形の底辺までが検出部６（図２において不図示）の検出範囲である。

共通電極３の外形は矩形形状である。共通電極３は図３に示すように第１電極１に対面する第１領域Ｒ１、第２電極２に対面する第２領域Ｒ２、及び第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を繋ぐ第３領域Ｒ３によって構成されている。

検出部６の検出範囲において、第１電極１の水に対面している領域の面積である第１面積と第２電極２の水に対面している領域の面積である第２面積とはそれぞれ水の表面位置（水位）が高いほど大きくなる。

水の表面位置（水位）上における第１電極１のｘ方向幅は水の表面位置（水位）が高いほど狭くなる。このため、水の表面位置（水位）の増加量に対する第１面積の増加量は水の表面位置（水位）が高いほど小さくなる。一方、水の表面位置（水位）上における第２電極２のｘ方向幅は水の表面位置（水位）が高いほど広くなる。このため、水の表面位置（水位）の増加量に対する第２面積の増加量は水の表面位置（水位）が高いほど大きくなる。

したがって、検出部６の検出範囲において、第１面積と第２面積との比率が水の表面位置（水位）に応じて一意に定まる。そして、検出部６の検出範囲において、第１面積に応じて第１静電容量が変化し、第２面積に応じて第２静電容量が変化する。

第１静電容量は第１電極１及び共通電極３間に水が介在している部分の静電容量と第１電極１及び共通電極３間に空気が介在している部分の静電容量とを合成したものである。ところが水の誘電率は空気の誘電率のおよそ１０倍であるので、第１静電容量は第１電極１及び共通電極３間に水が介在している部分の静電容量に近似できる。そのため、第１面積と第１静電容量とは比例関係にあると近似できる。

同様に第２静電容量は第２電極２及び共通電極３間に水が介在している部分の静電容量と第２電極２及び共通電極３間に空気が介在している部分の静電容量とを合成したものである。ところが水の誘電率は空気の誘電率のおよそ１０倍であるので、第２静電容量は第２電極２及び共通電極３間に水が介在している部分の静電容量に近似できる。そのため、第２面積と第２静電容量とは比例関係にあると近似できる。

したがって、水の表面位置（水位）に応じて変化する第１面積に対する第２面積の比は第１静電容量に対する第２静電容量の比に等しいと近似できる。このため、検出部６の検出範囲において、第１静電容量と第２静電容量との比率も水の表面位置（水位）に応じて一意に定まる。検出部６は、この関係を利用して第１静電容量と第２静電容量とに基づいて水の表面位置（水位）を検出する。

図４Ａは、検出部６の一構成例を示す図である。図４Ａに示す構成例の検出部６は、定電圧源６Ａと、コンデンサ６Ｂと、スイッチ６Ｃと、マイクロコンピュータ６Ｄとを備えている。なお、図４Ａに示す構成例では定電圧源６Ａの負極は接地されているが、定電圧源６Ａの負極は他の電位に固定される構成であっても良く、定電圧源６Ａの負極電位が変更できる構成であっても良い。

スイッチ６Ｃは、定電圧源６Ａの正極がコンデンサ６Ｂを介して第１電極１に接続され定電圧源６Ａの負極が共通電極３に接続されている状態と、定電圧源６Ａの正極がコンデンサ６Ｂを介して第２電極２に接続され定電圧源６Ａの負極が共通電極３に接続されている状態とを切り替える。

マイクロコンピュータ６Ｄは、スイッチ６Ｃを制御するとともに第１電極１の電位及び第２電極２の電位を略同一タイミングで検知する。また、マイクロコンピュータ６Ｄは、第１電極１の電位及び第２電極２の電位の検知を所定の周期（例えば１時間おき）で行っている。

マイクロコンピュータ６ＤはＡ／Ｄ変換器を内蔵しており第１電極１の電位及び第２電極２の電位を検知する際に第１電極１の電位及び第２電極２の電位のＡ／Ｄ変換を行っている。なお、検出部６はリセット回路を有してもよい。リセット回路は、第１電極１の電位を検出する直前にコンデンサ６Ｂと第１電極１及び共通電極３を両端電極として備えている可変容量コンデンサとをリセットする。同様に、リセット回路は、第２電極２の電位を検出する直前にコンデンサ６Ｂと第２電極２及び共通電極３を両端電極として備えている可変容量コンデンサとをリセットする。

第１電極１の電位は第１静電容量とコンデンサ６Ｂの静電容量との比及び定電圧源６Ａの出力電圧によって決まり、第２電極２の電位は第２静電容量とコンデンサ６Ｂの静電容量との比及び定電圧源６Ａの出力電圧によって決まる。したがって、マイクロコンピュータ６Ｄは、第１電極１の電位及び第２電極２の電位から第１静電容量と第２静電容量との比率を求めて、水の表面位置（水位）を検出する。なお、図４Ａに示す構成の代わりに例えば図４Ｂに示す構成を採用してもよい。図４Ｂに示す構成では、第１電極１及び共通電極３を両端電極として備えている第１可変容量コンデンサと第２電極２及び共通電極３を両端電極として備えている第２可変容量コンデンサとの共通電極３同士を接続して、第１可変容量コンデンサと第２可変容量コンデンサの直列回路を設け、その直列回路に定電圧源６Ａの出力電圧を印加している。この構成により、定電圧源６Ａの出力電圧が第１可変容量コンデンサの第１静電容量と第２可変容量コンデンサの第２静電容量との比率によって分圧され、その分圧がマイクロコンピュータ６ＤのＡ／Ｄ変換器に入力される。マイクロコンピュータ６Ｄは、定電圧源６Ａの出力電圧を把握することで、Ａ／Ｄ変換器に入力された分圧から第１静電容量と第２静電容量との比率を求めて、水の表面位置（水位）を検出することができる。

ここで、第１電極１の直角三角形形の底辺、第１電極１の直角三角形形の高さ、第２電極２の直角三角形形の底辺、及び第２電極２の直角三角形形の高さをそれぞれ１００とした場合の、水位レベルと第１面積、第２面積、及び第１静電容量に対する第２静電容量の比との関係を図５に示す。この水位レベルと第１静電容量に対する第２静電容量の比との関係をグラフで表すと図６のようになる。

このように水位センサ１０１は、互いに遠く離れていない第１電極１及び第２電極２を備え、第１電極１及び共通電極３間の静電容量である第１静電容量と第２電極２及び共通電極３間の静電容量である第２静電容量との比率を求めて、水の表面位置（水位）を検出する。このため、検出結果が液体の温度や組成などの影響を受け難くなり、検出精度が高くなる。また、水の表面位置（水位）の検出分解能を向上させるために電極数を増加させる必要がないので、多数の電極を設けなくても良い。なお、水位センサ１０１は上述した実施形態のように単独で使用する以外に、複数の水位センサ１０１をｚ方向に並べて設置して使用しても良い。複数の水位センサ１０１をｚ方向に並べて設置する場合、下からｎ（ｎは自然数）番目の水位センサ１０１の水位レベル１００％ラインと下からｎ＋１番目の水位センサ１０１の水位レベル０％ラインとがｚ方向において同じ高さであることが重複無く連続して水位を検出できるので好ましい。上記のように複数の水位センサ１０１をｚ方向に並べて設置して使用する場合、水位センサ１０１毎に検出部６を設けることによって、何番目の水位センサ１０１までが水位レベル１００％を検出しているかと、水位レベル１００％を検出したセンサのうち最も上に位置するセンサの一つ上に設置されている水位センサ１０１がどの水位レベルを検出しているかを把握することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態に係る水位センサ１０２の概略斜視図である。水位センサ１０２は流動体の表面位置検出装置の一例であって水の表面位置（水位）を検出するセンサである。

水位センサ１０２は、第１電極１１と、第２電極１２と、第３電極１３と、第４電極１４と、円筒形状の絶縁体１５と、検出部１６（図７において不図示）とを備えている。第１〜第４電極１１〜１４はそれぞれ絶縁体１５の外側側面に配置されている。絶縁体１５の内部に存在し得る水の表面位置（水位）はｚ方向に上下する。なお、絶縁体１５の下部において絶縁体１５の外側から内側への流動体の侵入を可能にする場合には、絶縁体１５を下部に底を設けない形状にすればよく、絶縁体１５の内側に流動体を溜める場合には、絶縁体１５を下部に底を設けた容器にすればよい。

検出部１６は、第１電極１１及び第３電極１３間の静電容量である第１静電容量と第２電極１２及び第４電極１４間の静電容量である第２静電容量とに基づいて水の表面位置（水位）を検出する。

図８は、絶縁体１５の正面から見た第１〜第４電極１１〜１４を示す図である。第１電極１１及び第２電極１２の外形は同一の直角三角形形状であり、第１電極１１の直角三角形形の底辺上に水位レベル０％ラインが設定され、第２電極１２の直角三角形形の底辺上に水位レベル１００％ラインが設定される。つまり、第１電極１１の直角三角形形の底辺から第２電極１２の直角三角形形の底辺までが検出部１６（図８において不図示）の検出範囲である。

第３電極１３及び第４電極１４の外形は同一の矩形形状である。

検出部１６の検出範囲において、第１電極１１の水に対面している領域の面積である第１面積と第２電極１２の水に対面している領域の面積である第２面積とはそれぞれ水の表面位置（水位）が高いほど大きくなる。

水の表面位置（水位）上における第１電極１１の円周方向幅は水の表面位置（水位）が高いほど狭くなる。このため、水の表面位置（水位）の増加量に対する第１面積の増加量は水の表面位置（水位）が高いほど小さくなる。一方、水の表面位置（水位）上における第２電極１２の円周方向幅は水の表面位置（水位）が高いほど広くなる。このため、水の表面位置（水位）の増加量に対する第２面積の増加量は水の表面位置（水位）が高いほど大きくなる。

したがって、検出部６の検出範囲において、第１面積と第２面積との比率が水の表面位置（水位）に応じて一意に定まる。そして、検出部１６の検出範囲において、第１面積に応じて第１静電容量が変化し、第２面積に応じて第２静電容量が変化する。

第１静電容量は第１電極１１及び第３電極１３間に絶縁体１５の側面及び水が介在している部分の静電容量と第１電極１１及び第３電極１３間に絶縁体１５の側面及び空気が介在している部分の静電容量とを合成したものである。ところが水の誘電率は空気の誘電率のおよそ１０倍であるので、第１静電容量は第１電極１１及び第３電極１３間に絶縁体１５の側面及び水が介在している部分の静電容量に近似できる。そのため、第１面積と第１静電容量とは比例関係にあると近似できる。

同様に第２静電容量は第２電極１２及び第４電極１４間に絶縁体１５の側面及び水が介在している部分の静電容量と第２電極１２及び第４電極１４間に絶縁体１５の側面及び空気が介在している部分の静電容量とを合成したものである。ところが水の誘電率は空気の誘電率のおよそ１０倍であるので、第２静電容量は第２電極１２及び第４電極１４間に絶縁体１５の側面及び水が介在している部分の静電容量に近似できる。そのため、第２面積と第２静電容量とは比例関係にあると近似できる。

したがって、水の表面位置（水位）に応じて変化する第１面積に対する第２面積の比は第１静電容量に対する第２静電容量の比に等しいと近似できる。このため、検出部６の検出範囲において、第１静電容量と第２静電容量との比率も水の表面位置（水位）に応じて一意に定まる。検出部１６は、この関係を利用して第１静電容量と第２静電容量とに基づいて水の表面位置（水位）を検出する。

図９は、検出部１６の一構成例を示す図である。図９に示す構成例の検出部１６は、定電圧源１６Ａと、コンデンサ１６Ｂと、スイッチ１６Ｃと、マイクロコンピュータ１６Ｄとを備えている。なお、定電圧源１６Ａの負極は接地されている。

スイッチ１６Ｃは、定電圧源１６Ａの正極がコンデンサ１６Ｂを介して第１電極１１に接続され定電圧源１６Ａの負極が第３電極１３及び第４電極１４に接続されている状態と、定電圧源１６Ａの正極がコンデンサ１６Ｂを介して第２電極１２に接続され定電圧源１６Ａの負極が第３電極１３及び第４電極１４に接続されている状態とを切り替える。

マイクロコンピュータ１６Ｄは、スイッチ１６Ｃを制御するとともに第１電極１１の電位及び第２電極１２の電位を略同一タイミングで検知する。また、マイクロコンピュータ１６Ｄは、第１電極１１の電位及び第２電極１２の電位の検知を所定の周期（例えば１時間おき）で行っている。

マイクロコンピュータ１６ＤはＡ／Ｄ変換器を内蔵しており第１電極１１の電位及び第２電極１２の電位を検知する際に第１電極１１の電位及び第２電極１２の電位のＡ／Ｄ変換を行っている。なお、検出部６はリセット回路を有してもよい。リセット回路は、第１電極１１の電位を検出する直前にコンデンサ１６Ｂと第１電極１１及び第３電極１３を両端電極として備えている可変容量コンデンサとをリセットする。同様に、リセット回路は、第２電極１２の電位を検出する直前にコンデンサ１６Ｂと第２電極１２及び第４電極１４を両端電極として備えている可変容量コンデンサとをリセットする。

第１電極１１の電位は第１静電容量とコンデンサ１６Ｂの静電容量との比及び定電圧源１６Ａの出力電圧によって決まり、第２電極１２の電位は第２静電容量とコンデンサ１６Ｂの静電容量との比及び定電圧源１６Ａの出力電圧によって決まる。したがって、マイクロコンピュータ１６Ｄは、第１電極１１の電位及び第２電極１２の電位から第１静電容量と第２静電容量との比率を求めて、水の表面位置（水位）を検出する。

このように水位センサ１０２は、互いに遠く離れていない第１電極１１及び第２電極１２を備え、第１電極１１及び第３電極１３間の静電容量である第１静電容量と第２電極１２及び第４電極１４間の静電容量である第２静電容量との比率を求めて、水の表面位置（水位）を検出する。このため、検出結果が液体の温度や組成などの影響を受け難くなり、検出精度が高くなる。また、水の表面位置（水位）の検出分解能を向上させるために電極数を増加させる必要がないので、多数の電極を設けなくても良い。

＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る水位センサは、第１実施形態に係る水位センサ１０１の第１電極１、第２電極２、及び共通電極３の形状を図１０のように変更し、その変更に伴って検出部６の処理内容も変更した構成である。

図１０は、ｙ方向から見た第１電極１、第２電極２、及び共通電極３を示す図である。図１０において、第１電極１及び第２電極２の外形は実線で示し、共通電極３の外形は太い点線で示している。第１電極１、第２電極２、及び共通電極３の外形はそれぞれ矩形形状であり、第１電極１の下辺は第２電極２の下辺よりもｈ_１だけ低い位置にあり、第１電極１の上辺と第２電極２の上辺は同一の高さに位置している。第１電極１のｘ方向幅と第２電極２のｘ方向幅とは略同一である。共通電極３は第１電極１に対面する第１領域、第２電極２に対面する第２領域、及び第１領域と第２領域を繋ぐ第３領域によって構成されている。

第１電極１の下辺上に基準位置ラインが設定され、第２電極２の下辺上に検出部６（図１０において不図示）の検出範囲の下限ラインが設定され、第１電極１の上辺及び第２電極２の上辺上に検出部６（図１０において不図示）の検出範囲の上限ラインが設定される。

基準位置ラインから検出部６の検出範囲の上限ラインにおいて、第１電極１の水に対面している領域の面積である第１面積は水の表面位置（水位）が高いほど大きくなる。また、第２電極２の水に対面している領域の面積である第２面積は、基準位置ラインから検出部６の検出範囲の下限ラインにおいて零であり、検出部６の検出範囲において水の表面位置（水位）が高いほど大きくなる。

そして、第１電極１のｘ方向幅と第２電極２のｘ方向幅とは略同一であるので、検出部６の検出範囲において、水の表面位置（水位）の増加量に対する第１面積の増加量と、水の表面位置（水位）の増加量に対する第２面積の増加量とが略等しい。

したがって、検出部６の検出範囲において、第１面積が第２面積よりも大きい。そして、基準位置ラインから検出部６の検出範囲の上限ラインにおいて、第１面積に応じて第１静電容量が変化し、検出部６の検出範囲において、第２面積に応じて第２静電容量が変化する。

本実施形態においても第１実施形態と同様に、水の表面位置（水位）に応じて変化する第１面積に対する第２面積の比は第１静電容量に対する第２静電容量の比に等しいと近似できる。検出部６は、この関係を利用して第１静電容量と第２静電容量とに基づいて水の表面位置（水位）を検出する。

検出部６の構成例も第１実施形態と同様であるが、検出部６は下記（１）式に基づいて基準位置ラインから水の表面位置（水位）までの高さｈ_２を求める。なお、Ｓ_１は第１面積を表しており、Ｓ_２は第２面積を表している。
ｈ_２＝ｈ_１／（１−Ｓ_２／Ｓ_１） …（１）

上記（１）式から明らかなように本実施形態に係る水位センサも第１実施形態に係る水位センサ１０１と同様に、互いに遠く離れていない第１電極１及び第２電極２を備え、第１電極１及び共通電極３間の静電容量である第１静電容量と第２電極２及び共通電極３間の静電容量である第２静電容量との比率を求めて、水の表面位置（水位）を検出することになる。このため、検出結果が液体の温度や組成などの影響を受け難くなり、検出精度が高くなる。また、水の表面位置（水位）の検出分解能を向上させるために電極数を増加させる必要がないので、多数の電極を設けなくても良い。

＜第４実施形態＞
図１１は、第４実施形態に係るセンサ情報送信装置２０１の概略構成図である。センサ情報送信装置２０１は、水位センサ１０１を備え、水位センサ１０１によって検出された水位の情報を外部の無線アクセスポイントやサーバーなどに無線送信する装置である。センサ情報送信装置２０１は、例えば田んぼや河川などに設置される。

センサ情報送信装置２０１は、環境発電装置２１と、電源ＩＣ２２と、蓄電装置２３と、制御マイコン２４と、無線通信部２５と、水位センサの電極部２６とを備えている。

環境発電装置２１は、周りの環境からエネルギーを収穫し、その収穫したエネルギーを電力に変換する装置であり、例えば太陽電池や水流を駆動源として利用する水流発電機などを用いることができる。

電源ＩＣ２２は、環境発電装置２１の発電電力に余剰が生じたときにその余剰電力を蓄電装置２３に蓄えさせる。蓄電装置２３としては例えば二次電池やコンデンサなどを用いることができる。また、電源ＩＣ２２は、環境発電装置２１の発電電力或いは蓄電装置２３の放電電力を所定電圧値の安定化電力に変換して制御マイコン２４及び無線通信部２５に供給する。なお、環境発電装置２１及び蓄電装置２３に代えて或いは加えて、一次電池を設けても良い。

制御マイコン２４は、例えば図４に示すコンデンサ６Ｂ、スイッチ６Ｃ、及びマイクロコンピュータ６Ｄに相当する機能或いは図９に示すコンデンサ１６Ｂ、スイッチ１６Ｃ、及びマイクロコンピュータ１６Ｄに相当する機能を有している。なお、制御マイコン２４がコンデンサ６Ｂや１６Ｂに相当する機能を有さず、制御マイコン２４にコンデンサ６Ｂや１６Ｂが外付けされる構成であっても良い。

また制御マイコン２４は、水位センサによって検出された水位の情報を無線通信部２５に送る。無線通信部２５は、水位センサによって検出された水位の情報を変調した無線送信信号を外部の無線アクセスポイントやサーバーなどに送信する。なお、無線通信部２５は、外部の無線アクセスポイントやサーバーから送られてくる指令を受信し、受信した指令を制御マイコン２４に送るようにしても良い。外部の無線アクセスポイントやサーバーから送られてくる指令としては、例えば大雨警報発令時に水位の検出周期を通常時よりも短くする指令などを挙げることができる。

図１２は、環境発電装置２１に太陽電池を用いた場合のセンサ情報送信装置２０１の概略斜視図である。

図１２に示すセンサ情報送信装置２０１は、外観が円柱である収納部２７を備えている。収納部２７の内部空間には、電源ＩＣ２２、蓄電装置２３、制御マイコン２４、及び無線通信部２５が収納されている。そして、収納部２７は内部空間に水が浸入しないように防水構造になっている。防水構造の一例としては、収納部２７が、有底円筒形状の本体部と、円板形状の蓋部と、本体部の上面に設けられる溝部に装着されるゴム製のＯリングとを備え、Ｏリングによってシーリングを確保する構造を挙げることができる。

収納部２７の底面中央から下方に向かって水位センサの電極搭載部２８が２枚互いに平行に対面して延伸している。図１２に示すセンサ情報送信装置２０１を田んぼや河川の底部に突き刺して固定し易いように、水位センサの電極搭載部２８の下端を鋭利な形状としている。収納部２７の上面には太陽電池２９を配置している。

なお、収納部２７の内部空間に配置している部品の一部を収納部２７の外部に配置しても良い。この場合、例えば収納部２７の上面にケーブル接続用のコネクタ部を設け、ケーブルを介して収納部２７の内部空間に配置している部品と収納部２７の外部に配置している部品とを電気的に接続すると良い。

＜その他の変形例＞
なお、第１実施形態で説明した変形例は第２実施形態においても適用することができる。同様に、第１実施形態で説明した変形例は第３実施形態においても適用することができる。また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では水の表面位置（水位）を検出したが、水以外の液体の表面位置や例えばプリンタで用いられるトナーなどの紛体の表面位置を検出しても良い。

また、上記第１実施形態では第１電極１及び第２電極２が同一の形状であったが、例えば図１３のように第１電極１及び第２電極２が互いに異なる三角形形状であってもよい。

なお、第１電極１及び第２電極２の形状は三角形に限定されない。例えば図１４のように第１電極１及び第２電極２は台形形状であっても良い。

また、第１電極１及び第２電極２の一方を、水の表面位置（水位）にかかわらずｘ方向幅が一定である形状にしてもよい。例えば図１５のように第２電極２を矩形形状にしても良い。ここで、第１電極１の直角三角形形の底辺を１００とし、第１電極１の直角三角形形の高さを１００とし、第２電極２のｘ方向幅を５０とし、及び第２電極２のｙ方向高さを１００とした場合の、水位レベルと第１面積、第２面積、及び第１静電容量に対する第２静電容量の比との関係を図１６に示す。この水位レベルと第１静電容量に対する第２静電容量の比との関係をグラフで表すと図１７のようになる。図１７と図６を比較すると、静電容量比の増加量に対する水位レベルＸ％の増加量が図６の方が小さいので、図６の方がより高精度に水位レベルＸ％を検出することができる。なお、図６及び図１７において静電容量比と水位レベルＸ％の関係は非線形特性を有しているが、電極形状を調整して静電容量比と水位レベルＸ％の関係は線形特性を有するようにしてもよい。また、水位レベル０％付近における水位レベルの変化をより高精度に検出したい場合には、水位レベル０％付近における静電容量比の増加量に対する水位レベルＸ％の増加量が水位レベル０％付近以外における静電容量比の増加量に対する水位レベルＸ％の増加量よりも小さくなるように電極形状を調整すると良い。逆に、水位レベル１００％付近における水位レベルの変化をより高精度に検出したい場合には、水位レベル１００％付近における静電容量比の増加量に対する水位レベルＸ％の増加量が水位レベル１００％付近以外における静電容量比の増加量に対する水位レベルＸ％の増加量よりも小さくなるように電極形状を調整すると良い。

また、第３実施形態では第３電極１３と第４電極１４を別々に設けたが、第３電極１３及び第４電極１４の代わりに例えば図１８のように第３電極１３及び第４電極１４を共用化した共用電極１７を設ける構成にしても良い。

また、上記実施形態では水の表面位置（水位）に応じて変化する第１面積に対する第２面積の比は第１静電容量に対する第２静電容量の比に等しいと近似したが、この近似を用いずに第１静電容量を補正することで第１静電容量の一部を成す電極間に水が介在している部分の静電容量を求め、第２静電容量を補正することで第２静電容量の一部を成す電極間に水が介在している部分の静電容量を求めるようにしてもよい。

このように、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、例えば液体や紛体などの表面位置のセンシングに利用することが可能である。

１、１１第１電極
２、１２第２電極
３共通電極
４第１絶縁部材
５第２絶縁部材
６、１６検出部
６Ａ定電圧源
６Ｂコンデンサ
６Ｃスイッチ
６Ｄマイクロコンピュータ
１３第３電極
１４第４電極
１５絶縁体
１７共用電極
２１環境発電装置
２２電源ＩＣ
２３蓄電装置
２４制御マイコン
２５無線通信部
２６水位センサの電極部
２７収納部
２８水位センサの電極搭載部
２９太陽電池
１０１、１０２水位センサ
２０１センサ情報送信装置
Ｒ１〜Ｒ３第１〜第３領域

Claims

第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と対になる第３電極と、
前記第２電極と対になる第４電極と、
前記第１電極及び前記第３電極間の静電容量である第１静電容量と前記第２電極及び前記第４電極間の静電容量である第２静電容量とに基づいて流動体の表面位置を検出する検出部と、
を備え、
前記検出部の検出範囲において、前記第１電極の前記流動体に対面している領域の面積である第１面積と前記第２電極の前記流動体に対面している領域の面積である第２面積とがそれぞれ前記流動体の表面位置が高いほど大きくなり、前記第１面積と前記第２面積との比率が前記流動体の表面位置に応じて一意に定まり、
前記検出部が、前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率に基づいて前記流動体の表面位置を検出し、
前記流動体の表面位置の増加量に対する前記第１面積の増加量が前記流動体の表面位置が高いほど小さくなり、
前記流動体の表面位置の検出可能範囲下端付近における前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量が前記流動体の表面位置の検出可能範囲下端付近以外における前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量よりも小さい、又は、
前記流動体の表面位置の検出可能範囲上端付近における前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量が前記流動体の表面位置の検出可能範囲上端付近以外における前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量よりも小さい、ことを特徴とする流動体の表面位置検出装置。
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と対になる第３電極と、
前記第２電極と対になる第４電極と、
前記第１電極及び前記第３電極間の静電容量である第１静電容量と前記第２電極及び前記第４電極間の静電容量である第２静電容量とに基づいて流動体の表面位置を検出する検出部と、
を備え、
前記検出部の検出範囲において、前記第１電極の前記流動体に対面している領域の面積である第１面積と前記第２電極の前記流動体に対面している領域の面積である第２面積とがそれぞれ前記流動体の表面位置が高いほど大きくなり、前記第１面積と前記第２面積との比率が前記流動体の表面位置に応じて一意に定まり、
前記検出部が、前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率に基づいて前記流動体の表面位置を検出し、
前記流動体の表面位置の増加量に対する前記第２面積の増加量が前記流動体の表面位置が高いほど大きくなり、
前記流動体の表面位置の検出可能範囲下端付近における前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量が前記流動体の表面位置の検出可能範囲下端付近以外における前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量よりも小さい、又は、
前記流動体の表面位置の検出可能範囲上端付近における前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量が前記流動体の表面位置の検出可能範囲上端付近以外における前記第１静電容量と前記第２静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量よりも小さい、ことを特徴とする流動体の表面位置検出装置。
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と対になる第３電極と、
前記第２電極と対になる第４電極と、
前記第１電極及び前記第３電極間の静電容量である第１静電容量と前記第２電極及び前記第４電極間の静電容量である第２静電容量とに基づいて流動体の表面位置を検出する検出部と、
を備え、
前記検出部の検出範囲において、前記第１電極の前記流動体に対面している領域の面積である第１面積と前記第２電極の前記流動体に対面している領域の面積である第２面積とがそれぞれ前記流動体の表面位置が高いほど大きくなり、前記第１面積と前記第２面積との比率が前記流動体の表面位置に応じて一意に定まり、
前記検出部が、前記第１静電容量を補正した第１補正静電容量と前記第２静電容量を補正した第２補正静電容量との比率に基づいて前記流動体の表面位置を検出し、
前記流動体の表面位置の増加量に対する前記第１面積の増加量が前記流動体の表面位置が高いほど小さくなり、
前記流動体の表面位置の検出可能範囲下端付近における前記第１補正静電容量と前記第２補正静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量が前記流動体の表面位置の検出可能範囲下端付近以外における前記第１補正静電容量と前記第２補正静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量よりも小さい、又は、
前記流動体の表面位置の検出可能範囲上端付近における前記第１補正静電容量と前記第２補正静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量が前記流動体の表面位置の検出可能範囲上端付近以外における前記第１補正静電容量と前記第２補正静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量よりも小さい、ことを特徴とする流動体の表面位置検出装置。
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と対になる第３電極と、
前記第２電極と対になる第４電極と、
前記第１電極及び前記第３電極間の静電容量である第１静電容量と前記第２電極及び前記第４電極間の静電容量である第２静電容量とに基づいて流動体の表面位置を検出する検出部と、
を備え、
前記検出部の検出範囲において、前記第１電極の前記流動体に対面している領域の面積である第１面積と前記第２電極の前記流動体に対面している領域の面積である第２面積とがそれぞれ前記流動体の表面位置が高いほど大きくなり、前記第１面積と前記第２面積との比率が前記流動体の表面位置に応じて一意に定まり、
前記検出部が、前記第１静電容量を補正した第１補正静電容量と前記第２静電容量を補正した第２補正静電容量との比率に基づいて前記流動体の表面位置を検出し、
前記流動体の表面位置の増加量に対する前記第２面積の増加量が前記流動体の表面位置が高いほど大きくなり、
前記流動体の表面位置の検出可能範囲下端付近における前記第１補正静電容量と前記第２補正静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量が前記流動体の表面位置の検出可能範囲下端付近以外における前記第１補正静電容量と前記第２補正静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量よりも小さい、又は、
前記流動体の表面位置の検出可能範囲上端付近における前記第１補正静電容量と前記第２補正静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量が前記流動体の表面位置の検出可能範囲上端付近以外における前記第１補正静電容量と前記第２補正静電容量との比率の増加量に対する前記流動体の表面位置の増加量よりも小さい、ことを特徴とする流動体の表面位置検出装置。
前記第３電極と前記第４電極が一体化又は共通化されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の流動体の表面位置検出装置。
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極、及び前記第４電極それぞれと前記流動体との接触を防止する絶縁部材を備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の流動体の表面位置検出装置。
少なくとも一つのセンサと、
前記少なくとも一つのセンサによって検出された情報を無線送信する通信部と、
を備え、
前記少なくとも一つのセンサが請求項１〜６のいずれか一項に記載の流動体の表面位置検出装置を含むことを特徴とするセンサ情報無線送信装置。