JPH11223545A - 水位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気ポットなどに適した単純な構造の水位セ
ンサを実現する。 【解決手段】貯水用容器１２０の底部から排出管１３０
を介してくみ上げた湯を排出口１３５から排出する電気
ポットにおいて、貯水用容器１２０内の水位を直接検出
する代わりに、排出管１３０内の水位を検出する。排出
管１３０の外壁面には、上下方向に伸びた一対の測定用
電極１１，１２が貼り付けられ、容量素子が形成され
る。測定用電極１１，１２間の誘電率は、排出管１３０
内の水位に応じて変化するため、この容量素子の静電容
量値を測定することにより、水位を検出することができ
る。湯温などの影響による誤差を避けるため、管内が常
に湯で満たされた排出管１３０の底部に、参照用電極２
１，２２を設け、補償を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水位センサに関し、
特に、排出管を通じて液体を外部へ排出する機構をもっ
た貯水用容器に利用するのに適した水位センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水槽やダムなどに蓄積された水量を測定
するために水位センサが利用されている。従来、一般的
に利用されている水位センサとしては、機械式のフロー
トを用いたタイプと、圧力センサを転用したタイプとが
主流である。前者の機械式のフロートを用いたタイプで
は、液面にフロートを浮かした状態にし、このフロート
の上下移動を検出することにより、水位が求められる。
一方、後者の圧力センサを転用したタイプでは、液中に
沈めた圧力センサによって水圧を検出し、この水圧値か
ら間接的に水位が求められる。圧力センサとしては、た
とえば、金属ダイヤフラムが受けた水圧をピエゾ抵抗素
子の抵抗値の変化として検出するセンサなどが利用され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た機械式のフロートを用いたタイプは、機械的な駆動部
を有するために構造が複雑になるという問題がある。ま
た、ゴミなどの浮遊物によってフロートの動作が阻害さ
れるおそれがあり、信頼性にも欠けるという問題があ
る。一方、圧力センサを転用したタイプのものとして
は、ピエゾ抵抗素子などの感圧素子を用いたものが一般
に利用されているが、高温，多湿といった過酷な条件の
もとでの耐久性の点で問題が生じる。このため、たとえ
ば、電気ポットのような高温かつ多湿という環境下で利
用することは困難であった。

【０００４】そこで本発明は、高温，多湿という過酷な
条件においても正常に動作し、しかも構造が単純な水位
センサを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】(1) 本発明の第１の態
様は、絶縁性の管内に収容されている液体の水位を測定
する水位センサにおいて、この絶縁性の管内の誘電率の
変動を静電容量の変化として検出しうる位置に配置され
た一対の測定用電極と、この一対の測定用電極の間の静
電容量に基づいて水位を測定する測定回路と、を設ける
ようにしたものである。

【０００６】(2) 本発明の第２の態様は、所定の貯水
用容器内に収容されている液体の水位を測定する水位セ
ンサにおいて、内部に貯水用容器内の液体が流入するよ
うに貯水用容器に連結され、流入した液体の水位が貯水
用容器の水位に応じて定まるように構成された絶縁性の
管と、この絶縁性の管内の誘電率の変動を静電容量の変
化として検出しうる位置に配置された一対の測定用電極
と、この一対の測定用電極の間の静電容量に基づいて水
位を測定する測定回路と、を設けるようにしたものであ
る。

【０００７】(3) 本発明の第３の態様は、液体を収容
するための貯水用容器と、この貯水用容器内の液体を外
部に排出するための絶縁性の排出管と、を有し、排出管
の下部が貯水用容器の底部近傍に接続され、上部が貯水
用容器の満水時の液面レベルよりも高い位置まで伸び、
貯水用容器内の液体を排出管の下部から上部へと導いて
外部へと排出する機能をもった貯水装置についての水位
を測定する水位センサにおいて、排出管の管内の誘電率
の変動を静電容量の変化として検出しうる位置に配置さ
れた一対の測定用電極と、この一対の測定用電極の間の
静電容量に基づいて水位を測定する測定回路と、を設け
るようにしたものである。

【０００８】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
〜第３の態様に係る水位センサにおいて、管の長手方向
に沿って細長い形状をした電極を測定用電極として用い
るようにし、この測定用電極を、必要な水位測定範囲に
相当する位置に配置するようにしたものである。

【０００９】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４
の態様に係る水位センサにおいて、水位測定範囲の下限
に相当する水位レベルにおいて内部が液体で満たされた
状態を維持する管の特定部分に、一対の参照用電極を更
に設けるようにし、測定回路が、一対の測定用電極の間
の静電容量と一対の参照用電極の間の静電容量との双方
に基づいて水位を測定するようにしたものである。

【００１０】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５
の態様に係る水位センサにおいて、一方の測定用電極お
よび一方の参照用電極を、単一の導電体で構成し、この
単一の導電体を測定用電極および参照用電極に共用する
ようにしたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】§１． 電気ポットに適用した実
施形態 以下、本発明を図示する実施形態に基いて説明する。こ
こでは、本発明に係る水位センサを、電気ポットに収容
されている液体の水位レベルを検出する用途に適用した
実施形態を述べる。

【００１２】図１は、この実施形態に係る電気ポット１
００の側断面図であり、本発明に係る水位センサは、こ
の電気ポット１００の内部の液体の水位を検出する機能
を有する。図において、外囲器１１０は、この電気ポッ
ト１００の構成要素を収容する入れ物として機能し、こ
の例の場合、合成樹脂によって構成されている。また、
貯水用容器１２０は、水などの液体を収容するための収
容庫として機能する器であり、排出管１３０は、この貯
水用容器１２０内に収容されている液体を外部へと排出
するための管である。この電気ポット１００は、もちろ
ん、水以外の液体にも利用することが可能であるが、こ
こでは、貯水用容器１２０内に水を入れ、これを加熱し
て湯として利用する形態について、以下の説明を行うこ
とにする。また、説明の便宜上、貯水用容器１２０内の
液体を水Ｗと呼んだり、湯Ｗと呼んだりして使い分ける
ことにする。

【００１３】貯水用容器１２０の底面には、ヒータ１４
０が設けられている。このヒータ１４０は、電源プラグ
１４２および電力供給線１４４を介して外部から供給さ
れる電力を利用して発熱する電熱器であり、このヒータ
１４０によって貯水用容器１２０全体が加熱されること
になる。貯水用容器１２０は、ヒータ１４０からの熱を
効率良く伝達させることができる材質で構成するのが好
ましく、具体的には、ステンレススチールなどの金属で
構成するのが好ましい。ヒータ１４０から貯水用容器１
２０へと伝達された熱は、更に、収容されている水Ｗへ
と伝わることになる。一般的な給湯器として利用される
電気ポットの場合、ヒータ１４０は、貯水用容器１２０
に収容されている水Ｗを沸騰させるのに十分な熱量を供
給する機能をもっており、また、必要に応じて、収容さ
れている湯Ｗを所定温度に維持する保温機能をもってい
る。

【００１４】一方、排出管１３０は、下部側の端が貯水
用容器１２０の底部近傍に接続され、上部側の端が排出
口１３５に接続されており、貯水用容器１２０に収容さ
れている湯Ｗを、底部近傍からくみ上げて排出口１３５
まで導き、ポットの外部へと排出させる機能を果たす。
なお、貯水用容器１２０の満水時の液面レベルは、排出
管１３０の上部の位置よりも低い位置に制限するように
する（たとえば、貯水用容器１２０の内壁に満水線を描
き、この満水線を越えて給水をしないようにユーザに注
意を促す）。これは、貯水用容器１２０内の水Ｗが、こ
の満水時の液面レベルを越えると、排出口１３５から不
用意に排出されるおそれがあるからである。別言すれ
ば、排出管１３０の上部が、貯水用容器１２０の満水時
の液面レベルより高い位置にくるように設計すればよ
い。なお、あくまでも排出管１３０の上部が、満水時の
液面レベルより高い位置まで伸びていればよいので、排
出口１３５の位置は、必ずしも満水時の液面レベルより
高い位置に設定する必要はない。たとえば、排出管１３
０の排出側の部分（排出口１３５の近傍の部分）をより
下方へと伸ばす構造にすれば、排出口１３５の位置を下
げることができる。

【００１５】本発明を適用するにあたって重要な点は、
この排出管１３０が、絶縁性の材料（この例ではガラス
を用いているが、もちろん樹脂でもよい）で構成されて
いる点である。上述したように、貯水用容器１２０とし
ては、熱伝導率の高い金属を用いるのが好ましいが、本
発明に係る水位センサを適用する場合、排出管１３０に
は金属を用いてはならない。後述するように、本発明で
は、排出管１３０の管内の誘電率の変動を管外から検出
することにより、水位レベルを検出することになるの
で、排出管１３０が導体で構成されていると、発明本来
の水位検出を行うことができなくなる。このように、本
発明特有の水位検出は、水位の変化に基く管内の誘電率
の変動を管外から検出する点にあるので、金属で構成さ
れた貯水用容器１２０内の水位レベルを、本発明に係る
方法で直接検出することはできない。

【００１６】貯水用容器１２０の上部には、蓋１５０が
設けられている。この蓋１５０は、貯水用容器１２０に
対して開閉自在となるように、外囲器１１０に一部が固
定されている（この開閉機構の図示は省略する）。貯水
用容器１２０に給水する場合は、蓋１５０を開放状態に
し、上方から水を注ぎ込めばよい。注水が完了したら、
蓋１５０を閉鎖すると、液面より上方に形成された空間
内が密閉状態になる。この実施形態では、蓋１５０の裏
側に、圧力発生機構１５５が設けられており、この圧力
発生機構１５５を駆動することにより、貯水用容器１２
０内の液面に対して圧力Ｐを加えることができる。この
圧力Ｐによって、貯水用容器１２０内の湯Ｗは図の下方
へと押圧され、その一部が排出管１３０を通って排出口
１３５から外部へ排出されることになる。ユーザは、必
要なときに、圧力発生機構１５５を駆動することによ
り、排出口１３５から湯を排出させることができる。

【００１７】図では、圧力発生機構１５５を単なるブロ
ックで示してあるが、具体的には、ユーザの操作によっ
て駆動する手動式ポンプや電動式ポンプを用いることが
できる。なお、排出口１３５から湯を排出させるための
排出駆動手段としては、図示のような圧力発生機構１５
５に限定されるものではなく、貯水用容器１２０内の湯
Ｗが、排出管１３０を通じて汲み上げられ、排出口１３
５から外部へ排出されるように、何らかの物理的な力を
作用させる機能をもった排出駆動手段であれば、どのよ
うな機構のものを用いてもかまわない。たとえば、排出
管１３０内に設けられたスクリュー式のポンプによっ
て、排出駆動手段を構成することも可能である。

【００１８】本発明の特徴は、貯水用容器１２０に収容
されている湯Ｗの水位を、排出管１３０の外壁面に形成
された一対の測定用電極１１，１２を利用して検出する
ようにした点にある。図１に示す例では、貯水用容器１
２０の底面位置θBOTTOMから水面位置θ１に至るまでの
距離が検出すべき水位となるが、図示のとおり、貯水用
容器１２０内の水面位置θ１と、排出管１３０内の水面
位置θ１とは一致する。したがって、排出管１３０内の
水面位置を検出し、これを貯水用容器１２０内の水面位
置と考えて取り扱っても問題は生じない。本発明では、
貯水用容器１２０内の水位を直接検出する代わりに、排
出管１３０内の水位を検出し、これを貯水用容器１２０
内の水位として取り扱うことになる。

【００１９】測定用電極１１，１２は、排出管１３０の
管内の誘電率の変動を静電容量の変化として検出しうる
位置に配置されており、この測定用電極１１，１２によ
って、容量素子が形成される。この電気ポット１００の
内部には、図示されていないが、この一対の測定用電極
１１，１２の間の静電容量に基いて水位を測定する測定
回路が組み込まれており、この測定回路から出力される
電気信号を利用すれば、種々の形態でユーザに水位を提
示することができ、また、この電気信号に基いて種々の
制御を行うことが可能になる。

【００２０】図１に示す実施形態では、一対の測定用電
極１１，１２とともに、更に、一対の参照用電極２１，
２２が設けられている。この一対の参照用電極２１，２
２も、排出管１３０の管内の誘電率の変動を検出しうる
位置に配置されているが、配置位置が、測定用電極１
１，１２とは若干異なっている。この参照用電極２１，
２２は、本発明の実施に必須の構成要素ではないが、よ
り正確な水位検出を行うために必要になる構成要素であ
る。

【００２１】図２は、図１に示す電気ポット１００にお
ける排出管１３０周辺の構成要素のみを抽出して示した
側断面図であり、図３(a) は、図２に示す構成要素を切
断線ａ−ａに沿って切った面を示す断面図であり、図３
(b) は、図２に示す構成要素を切断線ｂ−ｂに沿って切
った面を示す断面図である。図示のとおり、この実施形
態では、排出管１３０は断面が円形の管であり、測定用
電極１１，１２は、この管の外壁面に対向するように形
成された電極であり、参照用電極２１，２２は、同じく
この管の外壁面に対向するように形成された電極であ
る。ただ、測定用電極１１，１２と、参照用電極２１，
２２とは、その形成位置および長さが異なっている。測
定用電極１１，１２は、図２に示すように、予め定めら
れた水位測定範囲（図２におけるθ０〜θ２の区間）に
相当する長さＬをもった電極であり、排出管１３０の長
手方向に沿って、この水位測定範囲に相当する位置に配
置されている。逆に言えば、図２に示す構成によれば、
水面レベルが位置θ０〜θ２の区間内にある限り、水位
検出が可能になる。

【００２２】一方、参照用電極２１，２２は、排出管１
３０の下部近傍の特定部分に配置されている。この下部
の特定部分は、水位測定範囲の下限θ０に相当する水位
レベルにおいても内部が水で満たされた状態を維持する
部分である。別言すれば、実際の水位が、水位測定範囲
θ０〜θ２内のいずれのレベルにあったとしても、この
参照用電極２１，２２が形成された特定部分は、必ず水
で満たされていることになる。後述するように、参照用
電極２１，２２は、正確な水位を検出するために比較参
照するための電極であり、この参照用電極２１，２２を
設けた場合には、測定回路は、一対の測定用電極１１，
１２の間の静電容量と、一対の参照用電極２１，２２の
間の静電容量との双方に基づいて、水位を測定する演算
を行うことになる。

【００２３】§２． 水位検出の基本原理 続いて、本発明における水位検出の基本原理を説明す
る。図２に示す例において、排出管１３０内の実際の水
位θ１は、基本的には、一対の測定用電極１１，１２に
よって構成される容量素子の静電容量値に基いて検出す
ることができる。これは、排出管１３０内の水位に応じ
て、一対の測定用電極１１，１２間の誘電率が変化する
からである。上述した実施形態では、図３(a) に示すよ
うに、排出管１３０は断面が円形の管であるため、測定
用電極１１，１２は、断面円弧状の形状をなすことにな
るが、ここでは、説明の便宜上、まず、測定用電極１
１，１２が図４に示すような平行平板をなしていた場合
を考えてみよう。

【００２４】すなわち、測定用電極１１，１２は、いず
れも幅Ｗ，高さＬの長方形状の平板電極（導電性材料か
ら構成されている）であり、所定間隔ｄをおいて互いに
対向するように、平行に配置されているものとする。こ
のように一対の電極を対向して配置した場合、両電極に
よって容量素子が形成され、その静電容量値Ｃは、電極
間の誘電率をε、電極の面積をＳ、電極間隔をｄとすれ
ば、 Ｃ＝εＳ／ｄ (1) で与えられる。測定用電極１１，１２が長方形状の平板
であるとすれば、面積Ｓは、Ｓ＝Ｗ・Ｌであるから、上
式は、 Ｃ＝ε・Ｗ・Ｌ／ｄ (2) となる。

【００２５】ここでは、図４に示すように、所定間隔ｄ
をおいて配置された一対の測定用電極１１，１２と、こ
の一対の測定用電極１１，１２の間の静電容量に基づい
て水位を測定する測定回路３０と、によって水位センサ
を構成したものとする。いま、この測定用電極１１，１
２の間に、何らかの液体が満たされた場合を考える。図
５は、測定用電極１１，１２の下方４０％程度の部分
に、液体が満たされた状態を示す正面図である。ここで
は、図示のように、測定用電極１１，１２の下端位置を
θ０、電極間に満たされた液体の液面位置をθ１、測定
用電極１１，１２の上端位置をθ２とし、この水位セン
サによって、位置θ０を基準位置としたときの液面まで
の水位ｈを測定する原理を説明する。

【００２６】水位センサがこのような状態にあるとき、
測定用電極１１，１２で構成される容量素子の静電容量
Ｃは、液面より上の部分（位置θ１〜θ２までの高さｋ
に相当する部分）の静電容量Ｃｋと、液面より下の部分
（位置θ０〜θ１までの高さｈに相当する部分）の静電
容量Ｃｈとの和として求められる。ここで、液面より上
の部分の静電容量Ｃｋは、空気の誘電率をεαとすれ
ば、 Ｃｋ＝εα・Ｗ・ｋ／ｄ (3) で表され、液面より下の部分の静電容量Ｃｈは、液体の
誘電率をεβとすれば、 Ｃｈ＝εβ・Ｗ・ｈ／ｄ (4) で表される。よって、全容量Ｃは、 Ｃ＝（εα・ｋ＋εβ・ｈ）・Ｗ／ｄ (5) で表されることになる。測定回路３０内に、一対の測定
用電極１１，１２についての全静電容量Ｃを検出する回
路を設けておけば、ｋ＝Ｌ−ｈであり、Ｌ，Ｗ，ｄは既
知の寸法値であり、εα，εβは既知の値（実際には、
温度などの環境条件により変動するが、この変動に対す
る対策は後述する）であるから、検出されたＣの値を式
(5) に適用すれば、水位ｈを求めることができる。

【００２７】このように、図４に示す水位センサを用い
れば、測定用電極１１，１２の長手方向の長さＬの範囲
内（図５の位置θ０〜θ２の範囲内）での水位測定が可
能になる。別言すれば、測定用電極１１，１２の長手方
向の長さＬを、必要な水位測定範囲よりも長く設定して
おけばよい。また、測定用電極１１，１２の幅Ｗを一定
にしておけば、静電容量値と水位とがほぼ線形関係を示
し、測定値の取扱いが便利になる。もっとも、実用上
は、εα，εβなどの具体値を式(5) に代入した演算を
行う必要はない。たとえば、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け
ば、上記線形関係を利用して、任意の静電容量値Ｃが得
られたときの水位θ１を、より単純な演算で求めること
ができる。

【００２８】図３(a) に示すような断面円弧状の測定用
電極１１，１２を用いた場合の水位測定原理も、ほぼ同
様である。図３(a) に示すような円弧状の電極対からな
る容量素子の静電容量値を求める式はかなり複雑にな
り、また、排出管１３０の管壁部分の誘電率を考慮した
式が必要になるが、本発明を実施するにあたって、具体
的な静電容量値を演算によって求める必要はない。図２
に示すように、測定用電極１１，１２は、排出管１３０
の長手方向に沿って配置されているので、両電極間の静
電容量値は、水位測定範囲（位置θ０〜θ２の範囲）に
関する限り、実際の水位θ１とほぼ線形関係を維持しな
がら変化することになる。したがって、やはり、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
際に測定しておけば、この線形関係を利用して、任意の
静電容量値Ｃが得られたときの水位θ１を、単純な線形
演算で求めることができる。

【００２９】§３． 参照用電極を用いた検出原理 上述したように、本発明を実施するにあたって、実用上
は式(5) の演算そのものを行う必要はなく、予め測定し
ておいた静電容量値ＣLOW ，ＣHIGHの既知値を利用した
線形演算を行えばよい。しかしながら、このような既知
値を利用した演算方法では、厳密には、正しい水位を得
ることができない。なぜなら、式(5) における各パラメ
ータの値は、厳密には、温度によって変化するからであ
る。たとえば、液体の誘電率εβは、温度によって変化
するパラメータであり、排出される湯の温度が異なれ
ば、式(5) における誘電率εβの値も異なってくる。ま
た、排出管１３０や測定用電極１１，１２は、熱によっ
て膨脹するため、電極の寸法値も温度によって変化する
パラメータとなる。更に、この電気ポット１００に、コ
ーヒーや紅茶といった水以外の液体を入れて利用するよ
うな場合も考慮すると、式(5) における誘電率εβの値
は予想できない値となる。もちろん、一般的な温度の湯
を入れて利用するという標準的な条件において、標準的
な既知値ＣLOW，ＣHIGHを求めておき、この標準的な既
知値ＣLOW ，ＣHIGHをあらゆる場合に適用する、という
手法を採れば、ある程度の誤差を覚悟の上で、利用する
ことは可能である。しかし、より正確な水位を検出する
必要がある場合には、参照用電極２１，２２を利用した
以下のような方法を採るのが好ましい。

【００３０】ここでは、説明の便宜上、測定用電極１
１，１２が図４に示すような一対の平行平板電極からな
るとともに、参照用電極２１，２２も、同様に一対の平
行平板電極からなり、各電極間に直接液体が満たされて
いるという単純な場合を考えてみる。この場合、測定用
電極１１，１２と、参照用電極２１，２２との条件的な
違いは、測定用電極１１，１２の間に満たされている液
体の水位は任意であるのに対し、参照用電極２１，２２
の間は、常に液体で完全に満たされた状態になっている
という点である。

【００３１】演算の都合上、まず、測定用電極１１，１
２の寸法を、幅Ｗ１，高さＬ１とし、両者の間隔をｄ１
とする。同様に、参照用電極２１，２２の寸法を、幅Ｗ
０，高さＬ０とし、両者の間隔をｄ０とする。また、空
気の誘電率をεα、測定対象となる液体の誘電率をεβ
とする。はじめに、電気ポット１００内に液体が全く入
っていないという条件下において、一対の測定用電極１
１，１２からなる容量素子の静電容量Ｃ１(emp) および
一対の参照用電極２１，２２からなる容量素子の静電容
量Ｃ０(emp) を考えると、 Ｃ１(emp) ＝εα・Ｗ１・Ｌ１／ｄ１ (6) Ｃ０(emp) ＝εα・Ｗ０・Ｌ０／ｄ０ (7) となる。一方、電気ポット１００内に図５の状態まで
（位置θ１まで）液体が入っているという条件下におい
て、一対の測定用電極１１，１２からなる容量素子の静
電容量Ｃ１(in)および一対の参照用電極２１，２２から
なる容量素子の静電容量Ｃ０(in)を考えると、 Ｃ１(in)＝εα・Ｗ１・ｋ／ｄ１＋εβ・Ｗ１・ｈ／ｄ１ (8) Ｃ０(in)＝εβ・Ｗ０・Ｌ０／ｄ０ (9) となる。

【００３２】そこで、液体が入っていないときと、入っ
ているときとの静電容量の差ΔＣ１，ΔＣ０を、それぞ
れ次のように定義する。

【００３３】 ΔＣ１＝Ｃ１(in)−Ｃ１(emp) (10) ΔＣ０＝Ｃ０(in)−Ｃ０(emp) (11) 式(10)，(11)の右辺に式(6) 〜(9) を代入すれば、 ΔＣ１＝Δε・ｈ・Ｗ１／ｄ１ (12) ΔＣ０＝Δε・Ｌ０・Ｗ０／ｄ０ (13) ただし、Δε＝εβ−εα (14) が得られる。ここで、Ｗ１，Ｗ０，Ｌ０，ｄ１，ｄ０
は、いずれも既知の値であるから、ΔＣ１およびΔＣ０
の値を測定することができれば、未知数はΔεとｈのみ
になり、式(12)および(13)を連立させることにより、水
位ｈを求めることができる。

【００３４】もっとも、実用上は、Ｗ１＝Ｗ０＝Ｗ，ｄ
１＝ｄ０＝ｄに設定すれば、 ΔＣ１＝Δε・ｈ・Ｗ／ｄ (15) ΔＣ０＝Δε・Ｌ０・Ｗ／ｄ (16) となり、式(15)の両辺を式(16)の両辺で割り算すれば、 ΔＣ１／ΔＣ０＝ｈ／Ｌ０ (17) となるので、結局、 ｈ＝（ΔＣ１／ΔＣ０）・Ｌ０ (18) なる単純な演算式で、水位ｈを求めることができる。

【００３５】以上、測定用電極１１，１２および参照用
電極２１，２２が平行平板の場合について説明したが、
図３(a) ，(b) に示すような断面円弧状の測定用電極１
１，１２および参照用電極２１，２２を用いた場合も、
ほぼ同様の理由により、電気ポット１００内に液体が入
っていないときと、入っているときとについての、測定
用電極１１，１２からなる容量素子の静電容量値の差Δ
Ｃ１と、同じく、電気ポット１００内に液体が入ってい
ないときと、入っているときとについての、参照用電極
２１，２２からなる容量素子の静電容量値の差ΔＣ０
と、の比に基いて、水位ｈを求めることができる。

【００３６】図６は、本発明に係る水位センサに用いる
測定回路３０の具体的な構成例を示すブロック図であ
る。ここで、図の左端に示されたＣ１は、一対の測定用
電極１１，１２によって構成される容量素子を示してお
り、Ｃ０は、一対の参照用電極２１，２２によって構成
される容量素子を示している。容量変化量検出部３１，
３２は、各容量素子の静電容量の変化量ΔＣ１，ΔＣ０
を信号として出力する回路であり、Ｃ／Ｖ変換部３３，
３４は、これらの信号を電圧値Ｖ１，Ｖ０に変換する回
路である。また、除算部３５は、両電圧値の除算を行
い、Ｖ１／Ｖ０に相当する信号を出力する回路であり、
水位演算部３６は、式(18)に基づく演算（入力されたＶ
１／Ｖ０の値は、ΔＣ１／ΔＣ０の値に相当するので、
これにＬ０に相当する値を乗算する演算）を行い、水位
ｈを求める回路である。この実施形態では、更に、加算
部３７において、図２に示す位置θBOTTOM〜θ０の距離
ｍを加算して、最終的に（ｈ＋ｍ）で示される水位（貯
水用容器１２０の底面の位置を基準位置とした水位）が
出力されるようにしている。

【００３７】§４． いくつかの変形例 続いて、本発明に係る水位センサの変形例をいくつか述
べる。

【００３８】(1) 電極の配置形態 図７は、断面が方形の排出管１３２の外壁面にそれぞれ
一対の測定用電極を形成した例を示す断面図である。図
７(a) では、方形の排出管１３２の対向する外壁面に、
一対の測定用電極１３，１４が形成されている。これに
対し、図７(b)では、方形の排出管１３２の直交隣接す
る外壁面に、一対の測定用電極１５，１６が形成されて
いる。更に、図７(c) では、方形の排出管１３２の同一
の外壁面に、一対の測定用電極１７，１８が並んで形成
されている。図７(b) あるいは図７(c) に示す形態の場
合、一対の測定用電極によって構成される容量素子は、
一般的な意味での容量素子（２枚の平行平板からなる容
量素子）とはやや異なる。しかしながら、本発明では、
排出管１３２内の誘電率の変動を検出しうる位置に一対
の測定用電極を配置すれば足りるので、図７に示すいず
れの配置を採ってもかまわない。これは、一対の参照用
電極の配置に関しても全く同様である。なお、測定回路
における演算を単純化するためには、測定用電極の配置
形態と参照用電極の配置形態とは統一するのが好まし
い。

【００３９】(2) 電極の形成形態 図３あるいは図７に示すような各測定用電極あるいは各
参照用電極は、たとえば、排出管の外壁面に、金属を蒸
着したり、金属鍍金を施したり、金属層を印刷形成した
りする方法によって形成することが可能である。あるい
は、予め必要な電極パターンを形成した電極フィルムを
用意し、この電極フィルムを排出管の外壁面に貼り付け
ることにより形成することもできる。

【００４０】図８は、絶縁性の樹脂からなるベースフィ
ルム４５上に、一対の測定用電極４１，４２（たとえ
ば、配線用リード線）を貼り付けて電極フィルム４０を
形成した状態を示す平面図であり、図９は、図８に示す
電極フィルム４０を切断線９−９に沿って切った状態を
示す断面図である。実用上は、この図９に示す電極フィ
ルム４０の上面に、更に、絶縁性の樹脂からなる保護フ
ィルム４６を被覆し、電極フィルム４０^＊を形成するの
が好ましい。図１０は、この電極フィルム４０^＊の断面
図である。予め、このような電極フィルム４０^＊を用意
しておけば、この電極フィルム４０^＊を排出管の外壁に
貼り付ける作業を行うだけで、本発明に係る水位センサ
の検出部を構成することができるので便利である。図１
１(a) は、円形断面を有する排出管１３０の外壁面に、
図１０に示す電極フィルム４０^＊を貼り付けた状態を示
す断面図であり、図１１(b) は、方形断面を有する排出
管１３２の外壁面に、図１０に示す電極フィルム４０^＊
を貼り付けた状態を示す断面図である。

【００４１】(3) 電極の共用 図２に示す例では、測定用電極１１，１２および参照用
電極２１，２２が、それぞれ物理的に独立した電極によ
って構成されている。しかしながら、実用上は、一方の
測定用電極および一方の参照用電極を、単一の導電体で
構成し、この単一の導電体を測定用電極および参照用電
極に共用すると、電極構成を単純化させることができ好
ましい。

【００４２】図１２は、このように電極構成を単純化し
た実施形態を示す側断面図である。この例では、排出管
１３０の外壁面には、物理的に３枚の電極１９，２０，
２１のみが形成されている。ここで、電極２１は、図２
に示す参照用電極２１と全く同一のものである。また、
電極１９は、図２に示す測定用電極１１とほぼ同じもの
である（若干、下端が下方に伸びており、水位検出範囲
Ｌが広がっている）。一方、電極２０は、図２に示す測
定用電極１２および参照用電極２２を融合させたもので
あり、共用電極として機能する。図６に示す測定回路３
０を見てもわかるように、測定用電極１２および参照用
電極２２は、いずれも回路上では接地することが可能で
あり、両者を単一の導電体からなる共用電極２０で構成
しても何ら問題は生じない。

【００４３】(4) 水位の表示方法 既に述べたように、本発明に係る水位センサを利用すれ
ば、測定回路から得られる測定値に基いて、水位を任意
の方法で表示することが可能である。たとえば、上述し
た実施形態のように、電気ポットに適用した場合であれ
ば、発光ダイオードを用いた表示素子を外囲器１１０に
埋め込んで、ダイオードの発光状態に基いて水位を表示
したり、液晶ディスプレイを用いた表示部を設けて、デ
ジタル数値として水位を表示したりすることが可能であ
る。もちろん、測定回路からは電気信号として測定値が
得られるので、この電気信号を利用して、種々の制御を
行うことも可能である。たとえば、ヒータ１４０を駆動
するときに、水位に応じた電力で駆動するようにすれ
ば、貯水用容器１２０内の水量に見合った熱量を供給す
ることができるようになる。あるいは、外囲器１１０の
内部にブザーを設けておき、水位が満水レベルもしくは
枯渇レベルに達したことを示す測定値が電気信号として
得られた場合には、この電気信号に基いてブザーを鳴動
させるようなことも可能である。

【００４４】ただ、本発明に係る水位センサを上述した
ような電気ポットに利用した場合、測定回路から得られ
る測定値をそのまま用いた水位表示を行うと好ましくな
いことがある。たとえば、ヒータ１４０により、貯水用
容器１２０内の水を沸騰させるための加熱が行われてい
る場合を考える。このような加熱時には、貯水用容器１
２０内の水Ｗが沸き立ち、多数の泡が発生する状態にな
る。このため、測定回路から得られる測定値は、時間的
に大きく変動を生じることになり、そのような測定値に
基く水位表示を行うと、水位が激しく変動している状態
がそのまま表示されることになり好ましくない。そこ
で、水位を何らかの表示手段によって表示させる際に
は、ヒータ１４０により内部の水を沸騰させるための加
熱が行われている場合には、測定回路から与えられる測
定値の時間的平均値（水位の変動が平滑化される程度の
時間幅ごとに算出した平均値）に基づく水位表示を行う
ようにするとよい。

【００４５】また、排出口１３５から湯を排出する作業
を行っている場合にも、測定回路から得られる測定値を
そのまま用いた水位表示を行うことは好ましくない。こ
のような排出作業中は、貯水用容器１２０内の湯Ｗが排
出管１３０を通じて排出口１３５へと上ってゆくので、
排出管１３０内の水位レベルは上昇し、測定回路からの
測定値も、水位の上昇を示すものになる。しかしなが
ら、この場合、貯水用容器１２０内の水位は上昇してい
るわけではなく、むしろ減少していることになる。した
がって、この排出作業中も、測定回路から得られる測定
値をそのまま用いた水位表示を行うと、かえって不自然
な表示となる。そこで、測定回路から与えられる測定値
が水位の上昇を示す変化をした場合には、変化前の測定
値に基づく水位表示が継続してなされるように、表示手
段に補正機能を設けておくのが好ましい。

【００４６】このように、通常の電気ポットの利用形態
では、貯水用容器１２０内の水位は減少はするものの、
自然に増加することはないので、測定回路から与えられ
る測定値が水位の上昇を示した場合には、この上昇には
追従しないような表示を行うようにすれば、不自然な表
示を避けることができる。ただし、貯水用容器１２０へ
の給水時には、測定値に追従して水位の上昇が表示され
ないと困る。

【００４７】そこで、実用上は、蓋１５０の開閉状態を
検知する検知器を用意しておき、この検知器の検知状態
に応じて、水位の表示形態を変えるようにするとよい。
図１３に示す電気ポット２００は、このような検知器１
６１を設けた例を示す側断面図である。図示の例では、
検知器１６１は、単なるスイッチ素子であり、蓋１５０
を閉鎖状態にすると、検出端子１６２と金属製の貯水用
容器１２０との間が電気的に導通状態になる。一方、蓋
１５０を開放状態にすると、検出端子１６２と金属製の
貯水用容器１２０との間は電気的に遮断した状態にな
る。したがって、検出端子１６２と貯水用容器１２０と
の導通状態をチェックすることにより、蓋１５０が開放
状態にあるのか、閉鎖状態にあるのかを認識することが
できる。

【００４８】このような検知器１６１により、蓋１５０
が閉鎖状態であることが認識できたときには、測定回路
から与えられる測定値が水位の上昇を示す変化をした場
合には、この上昇を湯の排出操作に基く変化であると判
断し、変化前の測定値に基づく水位表示を継続して行う
ようにする。一方、蓋１５０が開放状態であることが認
識できたときに、測定回路から与えられる測定値が水位
の上昇を示す変化をした場合には、この上昇を貯水用容
器１２０への給水操作に基く変化であると判断し、この
変化中の測定値に基づく水位表示をそのまま行うように
すればよい。

【００４９】(5) 排出管を用いない例 これまで述べてきた例は、いずれも排出管を通して湯を
排出する機能をもった電気ポットについてのものであっ
たが、本発明は、排出管を用いずに、ポット本体を傾斜
させることにより湯を注ぎ出すタイプの電気ポットにも
適用可能である。この場合は、内部に液体が流入するよ
うに貯水用容器に連結された絶縁性の管（水位検出のた
めに用いられる特別な管）を用意し、しかもこの管内の
液体の水位が、貯水用容器内の水位に応じて定まるよう
に構成し、この絶縁性の管内の誘電率の変動を検出しう
る位置に一対の測定用電極を配置し、この一対の測定用
電極の間の静電容量に基づいて水位を測定するような構
成にすればよい。

【００５０】もちろん、本発明に係る水位センサは、電
気ポットへの適用に限らず、あらゆる用途での水位検出
に利用できる。要するに、本発明の基本概念をまとめる
と、次のようになる。

【００５１】まず、貯水用容器が絶縁性の材料で構成さ
れており、しかも、内部の誘電率の変動を、外壁面から
静電容量の変化として検出できるような容器であれば、
この容器に対して直接本発明に係る水位センサを適用す
ることができる。すなわち、容器の外壁面に一対の測定
用電極を取り付け、この測定用電極間の静電容量の値に
基いて水位を検出すればよい。

【００５２】一方、貯水用容器が導電性の材料で構成さ
れている場合や、容器の大きさが非常に大きかったり、
壁厚が非常に大きかったりしたために、誘電率の変動を
外壁面から直接検出することができないような場合に
は、別途に絶縁性の管を用意し、この管を貯水用容器に
接続して液体を流入させるようにする。そして、この絶
縁性の管の内部の誘電率の変動を検出することにより、
間接的に貯水用容器の水位を検出するようにすればよ
い。もちろん、この場合、絶縁性の管内に流入した液体
の水位が、貯水用容器内の液体の水位に応じて定まるよ
うな構成にしておき（一般的には、絶縁性の管内の水位
と、貯水用容器内の水位とが等しくなるように構成すれ
ばよいが、両水位の関係が一義的に定まるのであれば、
必ずしも両水位が等しくなるような構成に限ることはな
い）、絶縁性の管内の水位を測定することにより、間接
的に貯水用容器内の水位が求まるようにしておく必要が
ある。

【００５３】本発明は、特に、液体を収容するための貯
水用容器と、この貯水用容器内の液体を外部に排出する
ための絶縁性の排出管と、を有し、排出管の下部が貯水
用容器の底部近傍に接続され、上部が前記貯水用容器の
満水時の液面レベルよりも高い位置まで伸び、貯水用容
器内の液体を排出管の下部から上部へと導いて外部へと
排出する機能をもった貯水装置についての水位を測定す
る場合に格別な効果を奏することができる。すなわち、
このような構成をもった貯水装置について、貯水用容器
内の水位を検出するのであれば、排出管の管内の誘電率
の変動を静電容量の変化として検出しうる位置に一対の
測定用電極を設け、この一対の測定用電極の間の静電容
量に基づいて排出管内の水位を測定し、この排出管内の
水位を、貯水用容器内の水位として取り扱うようにすれ
ばよい。

【００５４】以上、本発明をいくつかの実施形態に基づ
いて説明したが、本願での「水位」とは、必ずしも「液
体のレベル」に限定されず、「粉体のレベル」なども広
く含む概念であり、本発明に係る水位センサは粉体のレ
ベルを測定するために利用することも可能である。本明
細書では、便宜上、「水位」、「貯水用容器」、「液
面」などの液体を示す用語を用いているが、本発明は上
述したような粉体をはじめ、ある程度の粘性をもった流
体などにも適用することができ、上記各用語も適宜拡張
して解釈されるべきものである。

【００５５】

【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、一対の電
極によって管内の誘電率の変化を検出し、この変化に基
いて水位を検出できるようにしたため、高温多湿という
過酷な環境においても十分に機能し、かつ、構造が単純
な水位センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水位センサを適用した電気ポット
の側断面図である。

【図２】図１に示す電気ポットにおける排出管１３０周
辺の構成要素を抽出して示す側断面図である。

【図３】図２に示す排出管１３０および各電極１１，１
２，２１，２２の横断面図である。

【図４】本発明に係る水位検出の基本原理を示す斜視図
（一部はブロック図）である。

【図５】図４に示す原理に基いて水位検出を行っている
状態を示す正面図である。

【図６】本発明で利用される水位センサの測定回路の詳
細な構成を示すブロック図である。

【図７】方形断面を有する排出管１３２についての測定
用電極の形成例を示す横断面図である。

【図８】測定用電極として利用できる電極フィルム４０
の平面図である。

【図９】図８に示す電極フィルム４０の横断面図であ
る。

【図１０】図９に示す電極フィルム４０上に、更に保護
フィルム４６を被覆して、電極フィルム４０^＊を形成し
た状態を示す横断面図である。

【図１１】円形断面および方形断面を有する排出管に、
図１０に示す電極フィルム４０^＊を貼り付けた状態を示
す横断面図である。

【図１２】本発明において、測定用電極および参照用電
極の一方を共用電極２０で構成した例を示す側断面図で
ある。

【図１３】本発明に係る水位センサを適用した電気ポッ
トの変形例を示す側断面図である。

【符号の説明】

１１〜１９…測定用電極 ２０…共用電極 ２１，２２…参照用電極 ３０…測定回路 ３１，３２…容量変化量検出部 ３３，３４…Ｃ／Ｖ変換部 ３５…除算部 ３６…水位演算部 ３７…加算部 ４０，４０^＊…電極フィルム ４１，４２…測定用電極 ４５…ベースフィルム ４６…保護フィルム １００…電気ポット １１０…外囲器 １２０…貯水用容器 １３０…排出管（円形断面） １３２…排出管（方形断面） １３５…排出口 １４０…ヒータ １４２…電源プラグ １４４…電力供給線 １５０…蓋 １５５…圧力発生機構 １６１…検知器 １６２…検出端子 ２００…電気ポット Ｃ，Ｃ０，Ｃ１…静電容量／容量素子 ｄ…電極間隔 ｈ，ｋ，ｍ…長さ／水位 Ｌ…水位測定区間／電極の長さ Ｐ…圧力 Ｗ…電極の幅／水／湯 εα，εβ…誘電率 θ０〜θ２，θBOTTOM…水位の位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 板野 弘道 埼玉県上尾市菅谷４丁目73番地 株式会社 ワコー内 (72)発明者 森本 英夫 奈良県大和郡山市池沢町172 ニッタ株式 会社奈良工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性の管内に収容されている液体の水
   位を測定する水位センサにおいて、 前記絶縁性の管内の誘電率の変動を静電容量の変化とし
   て検出しうる位置に配置された一対の測定用電極と、 この一対の測定用電極の間の静電容量に基づいて水位を
   測定する測定回路と、 を備えることを特徴とする水位センサ。
2. 【請求項２】 所定の貯水用容器内に収容されている液
   体の水位を測定する水位センサにおいて、 内部に前記貯水用容器内の液体が流入するように前記貯
   水用容器に連結され、流入した液体の水位が前記貯水用
   容器の水位に応じて定まるように構成された絶縁性の管
   と、 前記絶縁性の管内の誘電率の変動を静電容量の変化とし
   て検出しうる位置に配置された一対の測定用電極と、 この一対の測定用電極の間の静電容量に基づいて水位を
   測定する測定回路と、 を備えることを特徴とする水位センサ。
3. 【請求項３】 液体を収容するための貯水用容器と、こ
   の貯水用容器内の液体を外部に排出するための絶縁性の
   排出管と、を有し、前記排出管の下部が前記貯水用容器
   の底部近傍に接続され、上部が前記貯水用容器の満水時
   の液面レベルよりも高い位置まで伸び、前記貯水用容器
   内の液体を前記排出管の下部から上部へと導いて外部へ
   と排出する機能をもった貯水装置についての水位を測定
   する水位センサにおいて、 前記排出管の管内の誘電率の変動を静電容量の変化とし
   て検出しうる位置に配置された一対の測定用電極と、 この一対の測定用電極の間の静電容量に基づいて水位を
   測定する測定回路と、を備えることを特徴とする水位セ
   ンサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の水位セ
   ンサにおいて、 管の長手方向に沿って細長い形状をした電極を測定用電
   極として用いるようにし、この測定用電極を、必要な水
   位測定範囲に相当する位置に配置したことを特徴とする
   水位センサ。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の水位センサにおいて、 水位測定範囲の下限に相当する水位レベルにおいて内部
   が液体で満たされた状態を維持する管の特定部分に、一
   対の参照用電極を更に設けるようにし、測定回路が、一
   対の測定用電極の間の静電容量と一対の参照用電極の間
   の静電容量との双方に基づいて水位を測定するようにし
   たことを特徴とする用水位センサ。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の水位センサにおいて、 一方の測定用電極および一方の参照用電極を、単一の導
   電体で構成し、この単一の導電体を測定用電極および参
   照用電極に共用するようにしたことを特徴とする水位セ
   ンサ。