JPH11311562A - 水位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度や湿度などが変動しても正確な水位測定
ができる単純な構造の水位センサを提供する。 【解決手段】 絶縁材料から構成され、内部に液体が侵
入する空洞部３１を有する管状構造体３０を用意する。
その中心軸１０上に所定間隔をおいて複数の観測点Ｑ１
〜Ｑ７を定義する（便宜上、図の左方に示す）。管状構
造体３０の表面に、７組の電極対Ｐ１〜Ｐ７を形成す
る。各電極対Ｐ１〜Ｐ７は、空洞部３１を挟んで対向す
る位置に形成された電極層Ｅ１ａ〜Ｅ７ａおよびＥ１ｂ
〜Ｅ７ｂによって構成される。第ｉ番目の電極対Ｐｉの
電極間容量値は、観測点Ｑｉの位置に液体が存在するか
否かで大きく変化するので、各電極対Ｐ１〜Ｐ７につい
ての静電容量を電気的に測定することにより、どの観測
点位置までが液体で満たされているかを認識することが
でき、観測点の配置間隔の精度で水位測定を行うことが
できる。

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、所定の基準位置から液面に至るまでの任意の水位
を検出することができる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も、圧力検出部
への水の侵入を防ぐための工夫が必要になるため、構造
は複雑にならざるを得ない。

【０００４】このような問題を解決するために、特願平
９−２８７８８９号明細書には、一組の電極対からなる
容量素子を用いた新規な水位センサが提案されている。
このセンサでは、一対の平行平板からなる電極対が、平
板面が鉛直を向くようにして水槽内に設置され、電極対
の間が大気で満たされているか、液体で満たされている
か、によって電極対間の誘電率が変化することを利用し
て、水位検出が行われる。すなわち、水槽内の水位レベ
ルが上昇すると、電極対の間には徐々に液体が満たされ
るようになり、電極対間の静電容量値の変化として、こ
の水位レベルを検出することが可能になる。

【０００５】ただ、水槽内の液体の誘電率は液体の種類
によって異なり、また、チャンバ内の水位を測定するよ
うな場合には、大気として空気以外のガスが用いられる
こともあるため、大気の誘電率もガスの種類によって異
なってくる。更に、液体や大気の種類が同一であったと
しても、温度や湿度などの条件が異なれば、誘電率も異
なってくる。このため、上述した水位センサには、具体
的な測定環境下における誘電率の変化を考慮した測定を
行わないと正確な測定を行うことができないという問題
がある。

【０００６】そこで本発明は、どのような測定環境にお
いても正確な水位測定を行うことができる水位センサを
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】(1) 本発明の第１の態
様は、所定の基準位置から液面に至るまでの水位を測定
する水位センサにおいて、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組の電極対と、ｎ組の電極対
の各電極間容量値が所定の基準値を越えたか否かを判定
するｎ個の判定手段と、ｎ個の判定手段のうち、第１番
目の判定手段から第ｉ番目の判定手段までが、基準値を
越えた旨の判定結果を示したときに、第ｉ番目の観測点
の位置を水位として出力する水位出力手段と、を設ける
ようにしたものである。

【０００８】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る水位センサにおいて、基準線に沿って伸
び、内部に液体が侵入する空洞部を有する管状構造体を
用意し、この管状構造体によって各電極対を支持するよ
うにし、空洞部内の各観測点位置に測定対象となる液体
が存在するか否かに応じて、各電極対の電極間容量値が
変化するように、各電極対を配置するようにしたもので
ある。

【０００９】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第２
の態様に係る水位センサにおいて、各電極対を、空洞部
を挟んで対向する位置に形成された一対の電極層により
構成するようにしたものである。

【００１０】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第３
の態様に係る水位センサにおいて、各電極対を、管状構
造体の第１の側に配置される第１電極層と、管状構造体
の第２の側に配置される第２電極層とによって構成し、
ｎ個の第１電極層をそれぞれ物理的に独立した個別の電
極層により構成し、ｎ個の第２電極層を物理的に単一の
共通電極層により構成するようにしたものである。

【００１１】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１
の態様に係る水位センサにおいて、互いに平行な第１導
電線および第２導電線から構成される導電線対をｎ組用
意し、これら導電線対の一方の端を検出端とし、第１導
電線の検出端および第２導電線の検出端によって電極対
が形成されるようにし、第１導電線の検出端および第２
導電線の検出端は、周囲の誘電率の変化に起因して、電
極対の電極間容量値に、判定手段によって認識されうる
有意な変化が生じるような十分に薄い絶縁膜によって被
覆状態にするか、もしくは、露出状態にし、少なくとも
第１導電線の側部表面は、周囲の誘電率の変化に起因し
て、電極対の電極間容量値に、判定手段によって認識さ
れうる有意な変化が生じることがない程度に十分に厚い
絶縁膜によって被覆状態にし、ｎ組の導電線対の各検出
端によって形成されるｎ個の電極対が、各観測点に配置
されるように、各検出端を所定距離だけずらした状態で
各導電線対を固定するようにしたものである。

【００１２】(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１
の態様に係る水位センサにおいて、１本の共通導電線と
ｎ本の個別導電線とを用意し、これら各導電線が互いに
平行になるように、かつ、共通導電線を中心としてｎ本
の個別導電線が周囲を取り囲むように配置し、ｎ本の個
別導電線の一方の端を検出端とし、個別導電線の検出端
と、その近傍に位置する共通導電線の側部表面とによっ
て電極対が形成されるようにし、共通導電線の側部表面
および個別導電線の検出端は、周囲の誘電率の変化に起
因して、電極対の電極間容量値に、判定手段によって認
識されうる有意な変化が生じるような十分に薄い絶縁膜
によって被覆状態にするか、もしくは、露出状態にし、
個別導電線の側部表面は、周囲の誘電率の変化に起因し
て、電極対の電極間容量値に、判定手段によって認識さ
れうる有意な変化が生じることがない程度に十分に厚い
絶縁膜によって被覆状態にし、ｎ本の個別導電線の各検
出端と共通導電線の側部表面とによって形成されるｎ個
の電極対が、各観測点に配置されるように、各検出端を
所定距離だけずらした状態で各個別導電線を固定するよ
うにしたものである。

【００１３】(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１
の態様に係る水位センサにおいて、各電極対を、低水位
側に配された低水位電極と、高水位側に配された高水位
電極とによって構成し、低水位側から第ｋ番目（１≦ｋ
＜ｎ）の電極対を構成する高水位電極と、第（ｋ＋１）
番目の電極対を構成する低水位電極とを物理的に同一の
電極で構成することにより、（ｎ＋１）個の電極によっ
てｎ組の電極対を形成するようにしたものである。

【００１４】(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７
の態様に係る水位センサにおいて、基準線に沿って伸
び、内部に液体が侵入する空洞部を有する管状構造体を
用意し、管状構造体上に、基準線に沿って所定間隔で配
された（ｎ＋１）個の電極層を形成し、上下に隣接する
一対の電極層により１組の電極対を構成することにより
合計ｎ組の電極対を形成するようにしたものである。

【００１５】(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７
の態様に係る水位センサにおいて、（ｎ＋１）本の導電
線を互いに平行になるようにして、第１番目の導電線か
ら第（ｎ＋１）番目の導電線に至るまで順に二次元的に
隣接配置し、各導電線の一方の端を検出端としたとき
に、第ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の導電線の検出端よりも第
（ｉ＋１）番目の導電線の検出端の方が、基準線に沿っ
て所定距離だけ高水位側に位置するように、各検出端を
所定距離だけ順次ずらした状態で各導電線を固定し、第
ｉ番目の導電線の検出端と第（ｉ＋１）番目の導電線の
検出端とによって、第ｉ番目の電極対が形成されるよう
にし、各検出端は、周囲の誘電率の変化に起因して、電
極対の電極間容量値に、判定手段によって認識されうる
有意な変化が生じるような十分に薄い絶縁膜によって被
覆状態にするか、もしくは、露出状態にし、各導電線の
側部表面は、周囲の誘電率の変化に起因して、電極対の
電極間容量値に、判定手段によって認識されうる有意な
変化が生じることがない程度に十分に厚い絶縁膜によっ
て被覆状態にしたものである。

【００１６】(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第
１〜第９の態様に係る水位センサにおいて、電極対によ
って形成される容量素子と所定の抵抗素子とによって遅
延回路を構成し、この遅延回路に供給した信号の遅延時
間と所定の基準時間とを比較することにより、判定手段
による判定を行うようにしたものである。

【００１７】(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第
７〜第９の態様に係る水位センサにおいて、第ｉ番目
（ただし、ｉは偶数）の電極について、第（ｉ−１）番
目の電極との組み合わせからなる低水位側電極対と、第
（ｉ＋１）番目の電極との組み合わせからなる高水位側
電極対とを定義し、低水位側電極対によって形成される
容量素子と高水位側電極対によって形成される容量素子
とを並列接続して合成容量素子を形成し、この合成容量
素子と所定の抵抗素子とによって第ｉ番目の電極につい
ての遅延回路を構成し、遅延回路に供給した信号の遅延
時間と所定の基準時間とを比較して、遅延時間が第１の
基準時間を越えた場合には、第（ｉ−１）番目の観測点
の位置を水位として出力し、遅延時間が第１の基準時間
より大きい第２の基準時間を越えた場合には、第ｉ番目
の観測点の位置を水位として出力するようにしたもので
ある。

【００１８】(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第
１〜第１１の態様に係る水位センサにおいて、測定対象
となる液体の種類に応じて、判定手段の基準値を調整で
きるようにしたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて説明する。

【００２０】§１． 本発明の基本的な実施形態 図１は、本発明に係る水位センサの基本的な実施形態を
示す原理図である。この水位センサは、水槽１内の所定
の基準位置（例えば、水槽底面）から液面Ｌに至るまで
の水位を測定するセンサである。ここでは、この水位セ
ンサによる水位測定の基本原理を説明するために、図に
破線で示すような基準線１０を定義する。この基準線１
０は、水槽の低水位側から高水位側に向かって定義され
た仮想線であり、この基準線１０に沿って、複数ｎ個の
観測点Ｑが所定間隔で配置されることになる。いわば、
基準線１０は、ｎ個の観測点Ｑの配置位置を示す線とし
て機能することになる。図１に示す例では、ｎ＝７とし
て、７つの観測点Ｑ１〜Ｑ７が基準線１０上に等間隔に
定義されている。各観測点は、後述するように、その位
置に液体が存在するか否かを観測するための位置を示す
ものであり、必ずしも等間隔に配置する必要はない。た
だ、この観測点は水位を示す目盛りとしての働きをする
ため、実用上は、等間隔に定義するのが好ましい。

【００２１】また、図示の例では、基準線１０を鉛直方
向に伸びる直線として定義しているが、後述するよう
に、基準線１０の向きは必ずしも鉛直方向にする必要は
なく、斜め方向に伸びる線として定義してもかまわな
い。要するに、一方が低水位側、他方が高水位側と定義
することができれば（別言すれば、水平方向でなけれ
ば）、どのような方向に基準線１０を定義してもかまわ
ない。また、基準線１０は必ずしも直線である必要はな
く、一方が低水位側、他方が高水位側と定義することが
できれば（別言すれば、線上を辿ることにより、水位が
単調増加もしくは単調減少することになれば）、曲線で
あってもかまわない。後述する実施形態では、螺旋状の
基準線１０を定義した例が示されている。

【００２２】観測点Ｑの数ｎは、水位測定に必要な精度
を考慮して定めればよい。本発明では、各観測点位置に
ついて、それぞれ液体が存在するか否かという二値情報
が得られることになる。すなわち、水位というアナログ
量は、個々の観測点によって量子化され、デジタル量と
して測定値が得られることになる。たとえば、図１の例
の場合、一点鎖線で示す液面Ｌの水位は、「観測点Ｑ１
〜Ｑ４の位置には液体が存在するが、観測点Ｑ５〜Ｑ７
の位置には液体は存在しない」という量子化された値と
して得られることになり、「実際の液面Ｌの位置が、観
測点Ｑ４〜Ｑ５の間のどのあたりにあるか」という情報
は得られない。結局、より精度の高い測定を行うのであ
れば、観測点Ｑの配置間隔を小さくする必要があり、よ
り多数の観測点Ｑを定義する必要がある。したがって、
実際には、センサの用途に応じて、どの程度の間隔で観
測点Ｑを配置すればよいか、水位検出範囲をどの程度の
長さに設定すればよいか、を考慮して、観測点Ｑの数ｎ
が決定されることになる。

【００２３】さて、上述したように、本発明に係るセン
サでは、各観測点位置について、それぞれ液体が存在す
るか否かという二値情報を得る必要があるが、そのため
にｎ個の観測点位置にそれぞれ一組の電極対が配置さ
れ、合計ｎ組の電極対が配置されることになる。図１に
示す例では、各観測点Ｑ１〜Ｑ７の位置に、それぞれ電
極対Ｐ１〜Ｐ７が配置されている。なお、本願におい
て、「観測点Ｑの位置に電極対Ｐを配置する」という表
現は、必ずしも「点Ｑ上に電極対Ｐが位置する」ことだ
けを意味するものではなく、「観測点Ｑの位置に液体が
存在するか否かを検出することが可能な位置に電極対Ｐ
が位置する」ことを意味するものである。たとえば、図
１に示す例では、電極対Ｐ１〜Ｐ７は、観測点Ｑ１〜Ｑ
７の上に正確に配置されているわけではなく、やや右へ
ずれた位置に配置されているが、電極対Ｐ１〜Ｐ７によ
って、観測点Ｑ１〜Ｑ７の位置に液体が存在するか否か
を検出する機能という観点からは、観測点Ｑ１〜Ｑ７の
上に正確に配置されている場合と等価であり、本願では
このような場合も含めて、「観測点Ｑ１〜Ｑ７の位置に
電極対Ｐ１〜Ｐ７が配置されている」と表現することに
する。

【００２４】電極対Ｐ１〜Ｐ７には、それぞれ判定手段
１１〜１７が設けられている。この判定手段１１〜１７
は、それぞれ電極対Ｐ１〜Ｐ７の各電極間容量値Ｃ１〜
Ｃ７が、所定の基準値を越えたか否かを判定する機能を
有する。本発明では、観測点Ｑに位置する電極対Ｐの電
極間容量値Ｃが、所定の基準値を越えていた場合には、
当該観測点Ｑの位置に液体が存在するとの認定がなさ
れ、所定の基準値を越えていなかった場合には、当該観
測点Ｑの位置に液体が存在しないとの認定がなされる。

【００２５】このような認定方法は、次のような原理に
基づくものである。いま、図２(a)に示すように、同一
サイズの平板からなる電極ＥａおよびＥｂを所定距離ｄ
だけ離して平行に向かい合わせて電極対Ｐを形成し、こ
れを水槽内の観測点Ｑの位置に配置したものとしよう。
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。ここで、空気の誘電率をεα、液体の誘
電率をεβとすれば、上式のεは、εαもしくはεβに
なる。すなわち、液面Ｌが図２(a) の位置にある場合、
電極対の液体に浸っている部分の静電容量値は液体の誘
電率εβに基づいて定まり、空気中に出ている部分の静
電容量値は空気の誘電率εαに基づいて定まることにな
る。ところが、空気の誘電率εαに比べれば、液体の誘
電率εβはかなり大きいため、電極対Ｐ全体としての静
電容量値Ｃは、図２(b) のグラフに示すように、液体の
水位上昇とともに大きくなる。たとえば、図２(a) のよ
うに、水位が液面Ｌの位置であったとすると、図２(b)
のグラフに示すように、静電容量値はＣＬとなる。そこ
で、たとえば、図２(b) のグラフの横軸上の所定位置
に、観測点Ｑの水位ＬＱに対応する基準値Ｃthを定義し
ておけば、電極対Ｐ全体の静電容量値Ｃを測定し、Ｃ＞
Ｃthであれば、液面Ｌが観測点Ｑに到達していると判断
することができる。

【００２６】原理的には、水位と静電容量値との間に
は、図２(b) に示すような線形関係が得られるため、電
極対Ｐの電極間容量値Ｃを正確に測定することができれ
ば、「観測点Ｑの位置に液体が存在するか否か」という
二値情報だけでなく、より精度の高いアナログ情報を得
ることは可能である。実際、特願平９−２８７８８９号
明細書に開示されている水位センサでは、このような電
極間容量値Ｃのアナログ情報に基づいて、水位測定が行
われている。しかしながら、測定で得られた電極間容量
値Ｃを用いて、前掲の式(1) を利用して実際の水位を正
確に算出するためには、測定環境下における空気の誘電
率εαおよび液体の誘電率εβを正確に知る必要があ
る。もちろん、空気の誘電率εαおよび水の誘電率εβ
の代表値を予め定めておき、この代表値を用いた演算を
行えば、ある程度の精度をもった水位を算出することは
可能であるが、空気の誘電率εαや水の誘電率εβは、
温度や不純物の濃度などにより変化するため、得られる
水位の精度には限界がある。また、このようなアナログ
式の測定方法は、測定対象となる液体が水以外である場
合や、空気以外のガスで満たされたチャンバ内で測定を
行う場合には正確な測定が困難である。

【００２７】本発明の基本原理は、１組の電極対Ｐの静
電容量値Ｃに基づいて、敢えて、「観測点Ｑの位置に液
体が存在するか否か」という二値情報だけを得るように
した点にある。たとえば、標準的な温度環境において標
準的な空気および水を用い、図２(a) に示す観測点Ｑの
水位ＬＱまで水を満たしたときに、電極対Ｐの静電容量
値Ｃとして、測定値Ｃthが得られたとしよう。この場
合、再度の測定で測定値Ｃthが得られたとしても、その
ときの実際の水位は必ずしも観測点Ｑの水位ＬＱである
とは限らない。温度条件が異なったり、液体が水でなか
ったりした場合には、実際の水位は水位ＬＱより上また
は下になる。しかしながら、本発明では、「観測点Ｑの
位置に液体が存在するか否か」という二値情報だけが利
用されるので、多少の誤差が含まれていても本質的な問
題にはならない。たとえば、図１の例では、実際の水位
が観測点Ｑ４〜Ｑ５の間のどの位置にあっても、その正
確な位置情報はそもそも測定結果として取り出すことが
できないのであるから、たかだか１組の電極対の占める
位置範囲程度の誤差であれば、測定結果に大きな影響は
及ぼさないことになる。別言すれば、生じる誤差はたか
だか隣接する観測点間隔にすぎない。

【００２８】図１に示す水位出力手段２０は、ｎ個の判
定手段のうち、第１番目の判定手段から第ｉ番目の判定
手段までが、基準値を越えた旨の判定結果を示したとき
に、第ｉ番目の観測点の位置を水位として出力する機能
を有する。たとえば、図示の例の場合、７個の判定手段
１１〜１７のうち、判定手段１１〜１４が基準値を越え
た旨の判定結果を示し、判定手段１５〜１７が基準値を
越えない旨の判定結果を示した場合、水位出力手段２０
は、第４番目の観測点Ｑ４の位置（もしくは観測点Ｑ５
の位置でもよい）を水位として出力することになる。こ
のセンサが正常に機能している限りは、静電容量値が基
準値を越えた電極対の集合（図示の例では、電極対Ｐ１
〜Ｐ４）と、越えない電極対の集合（図示の例では、電
極対Ｐ５〜Ｐ７）との境界が必ず存在することになる。
水位出力手段２０は、この境界位置を水位として出力す
る機能を果たす。

【００２９】なお、図１および図２に示す例では、電極
対Ｐを構成する各平板電極Ｅａ，Ｅｂは、互いに水平方
向に所定間隔ｄを保って配置されているが、一対の電極
の配置形態はどのような向きであってもかまわない。た
とえば、図３(a) に示す例では、一対の平板電極Ｅａ，
Ｅｂを垂直方向に所定間隔ｄを保って配置することによ
り電極対Ｐを構成している。また、図３(b) に示す例で
は、一対の平板電極Ｅａ，Ｅｂを斜め方向に所定間隔ｄ
を保って配置することにより電極対Ｐを構成している。
いずれの場合も、液面Ｌが上昇するに従って、電極間容
量値Ｃは増加することになるので、電極対Ｐの近傍に液
体が存在するか否かを検出することが可能である。以
下、一対の電極を水平方向に並らべた具体的な実施形態
（図２(a)に示すような電極の配置形態を採るもの）を
§２で述べることにし、一対の電極を垂直方向に並らべ
た具体的な実施形態（図３(a) に示すような電極の配置
形態を採るもの）を§３で述べることにする。

【００３０】§２． 一対の電極を水平方向に並べた実
施形態 図４は、管状構造体３０を利用した水位センサを示す斜
視図である。管状構造体３０は、絶縁材料から構成され
た円筒状の構造体であり、内部に液体が侵入する空洞部
３１を有する。ここでは、この管状構造体３０の中心軸
上に基準線１０を定義しているが、図示の便宜上、この
基準線１０を図の左方に移動して基準線１０′として示
してある。基準線１０′上には、等間隔に７個の観測点
Ｑ１〜Ｑ７が、低水位側から高水位側に向かって配置さ
れている（実際には、これら観測点Ｑ１〜Ｑ７は、空洞
部３１内に定義されている）。

【００３１】管状構造体３０の表面には、７組の電極対
Ｐ１〜Ｐ７が形成されている。各電極対Ｐ１〜Ｐ７は、
空洞部３１を挟んで対向する位置に形成された電極層Ｅ
１ａ〜Ｅ７ａおよびＥ１ｂ〜Ｅ７ｂによって構成されて
いる。たとえば、電極対Ｐ１は、電極層Ｅ１ａとこれに
対向する電極層Ｅ１ｂによって構成されており、一対の
電極層Ｅ１ａとＥ１ｂとが水平方向に所定間隔をおいて
配置されていることになる。ここで、管状構造体３０
は、各電極対を支持するための支持部材として機能して
いる。このような管状構造体３０を、水槽などに設置し
ておけば、水槽内の液体が空洞部３１内へと侵入するこ
とになるので、空洞部３１内の液体の水位を測定するこ
とにより、水槽内の水位を得ることができる。各電極対
Ｐ１〜Ｐ７は、空洞部３１を挟むように配置されている
ので、空洞部３１内の各観測点Ｑ１〜Ｑ７位置に液体が
存在するか否かを、これら電極対Ｐ１〜Ｐ７の電極間容
量値の変化に基づいて検出することが可能である。

【００３２】図５(a) は、図４に示す水位センサの変形
例を示す斜視図であり、図５(b) はその等価回路であ
る。図４の実施形態では、管状構造体３０の右側に７枚
の電極層Ｅ１ａ〜Ｅ７ａが配置され、管状構造体３０の
左側に７枚の電極層Ｅ１ｂ〜Ｅ７ｂが配置されている。
別言すれば、それぞれ物理的に独立した合計１４枚の個
別の電極層によって７組の電極対が形成されている。こ
れに対し、図５の変形例では、管状構造体３０の右側に
物理的に独立した７枚の個別電極層Ｅ１ａ〜Ｅ７ａが形
成されている点は同様であるが、管状構造体３０の左側
には、７枚の個別電極層Ｅ１ｂ〜Ｅ７ｂの代わりに、単
一の共通電極層Ｅｘｂが形成されている。この共通電極
層Ｅｘｂは、電気的には、７枚の個別電極層Ｅ１ｂ〜Ｅ
７ｂと同等の機能を果たすことになる。たとえば、この
共通電極層Ｅｘｂを接地するとともに、個別電極層Ｅ１
ａ〜Ｅ７ａをそれぞれ検出端子Ｔ１〜Ｔ７に接続すれ
ば、図５(a) に示すセンサ本体は、図５(b) に示す等価
回路で示すことができる。この等価回路において、可変
容量素子Ｃ１〜Ｃ７は、それぞれ電極対Ｐ１〜Ｐ７の電
極間容量素子に対応し、空洞部３１内の水位によって容
量値が決定される。このように、一方の電極を単一の共
通電極層Ｅｘｂで構成したとしても、図５(b) に示す等
価回路から明らかなように、検出端子Ｔ１〜Ｔ７を利用
して７組の電極対Ｐ１〜Ｐ７についての静電容量値をそ
れぞれ別個独立して検出することができる。したがっ
て、図５(a) に示す水位センサは、図４に示す水位セン
サと同等に機能する。

【００３３】なお、図４あるいは図５(a) に示すセンサ
では、管状構造体３０の外面に各電極層を形成している
が、各電極層は管状構造体３０の内面（空洞部３１側）
に形成してもよい。もっとも、製造プロセスを考慮する
と、外面に形成した方が容易であり、また、電極層が液
体によって腐蝕するのを防ぐ意味でも、実用上は外面に
形成するのが好ましい。

【００３４】本発明を実施するにあたり、電極対は必ず
しも平板電極や電極層によって構成する必要はない。た
とえば、原理的には、図６に示すように、導体球からな
る電極Ｅｃ，Ｅｄを用意し、これを観測点Ｑの近傍に所
定間隔をおいて配置することにより、電極対Ｐを構成す
ることも可能である。この場合でも、図６(a) に示すよ
うに、観測点Ｑに水位が達しない状態に比べて、図６
(b) に示すように、観測点Ｑに水位が達した状態では、
電極対Ｐの静電容量値に急激な変化がみられるため、観
測点Ｑの位置に液体が存在するか否かを検出することが
できる。

【００３５】もっとも、検出結果を外部に取り出すため
には、各電極Ｅｃ，Ｅｄに何らかの配線が必要である。
そこで、実用上は、図７に示すような導電線対ＰＰを利
用するのが好ましい。この導電線対ＰＰは、互いに平行
な第１導電線Ｗ１および第２導電線Ｗ２から構成されて
おり、これら導電線Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ厚みθ１，
θ２を有する絶縁膜Ｉ１，Ｉ２によって被覆されてい
る。そして、この導電線対ＰＰの一方の端は検出端とな
っており、第１の導電線Ｗ１および第２の導電線Ｗ２
は、この検出端において外部に露出している。このよう
な導電線対ＰＰは、電気配線に利用されている一対のリ
ード線を切断することにより用意に得ることができる。
しかも、一対の導電線Ｗ１，Ｗ２の検出端における露出
面に着目し、この露出面をそれぞれ電極Ｅｃ，Ｅｄと考
えれば、検出端において、図６(a) に示すような電極対
Ｐと同等の電極構造が得られていることがわかる。すな
わち、導電線Ｗ１，Ｗ２の露出面からなる電極Ｅｃ，Ｅ
ｄによって容量素子が形成されることになり、その静電
容量値は、この検出端に液体が存在するか否かによって
変化する。

【００３６】なお、図７に示す例では、導電線対ＰＰの
検出端は露出しており、導電線Ｗ１，Ｗ２の端部がむき
出しの状態になっているが、液体が導電線Ｗ１，Ｗ２の
端部に直接触れると、導電線Ｗ１，Ｗ２が腐蝕するよう
な弊害が生じる場合には、検出端を薄い絶縁膜によって
被覆状態にしてもかまわない。図８は、導電線対ＰＰの
検出端を絶縁膜Ｉ３で被覆した例を示す上面図である。
このように、検出端を絶縁膜Ｉ３で被覆状態にする場合
には、用いる絶縁膜Ｉ３の厚みθ３に配慮する必要があ
る。すなわち、導電線Ｗ１，Ｗ２の端部は、電極Ｅｃ，
Ｅｄからなる電極対Ｐとして、液体が存在するか否かを
検知する機能を有していなければならない。したがっ
て、第１導電線Ｗ１の検出端（電極Ｅｃ）および第２導
電線Ｗ２の検出端（電極Ｅｄ）を被覆する絶縁膜Ｉ３の
厚みθ３の条件として、「周囲の誘電率の変化に起因し
て、電極Ｅｃ，Ｅｄの電極間容量値に、判定手段によっ
て認識されうる有意な変化が生じる程度に十分に薄いこ
と」という条件が課されることになる。要するに、両導
電線Ｗ１，Ｗ２間に電界をかけた場合、図８に示すよう
に、電極Ｅｃ，Ｅｄ間に電気力線ｆが生じ、この電気力
線ｆの強度が液体の有無によって影響を受ける程度に、
絶縁膜θ３の厚みを十分に薄くすればよい。

【００３７】これに対し、導電線Ｗ１，Ｗ２の側部表面
を被覆している絶縁膜Ｉ１，Ｉ２の厚みθ１，θ２につ
いては、「周囲の誘電率の変化に起因して、電極Ｅｃ，
Ｅｄの電極間容量値に、判定手段によって認識されうる
有意な変化が生じることがない程度に十分に厚いこと」
という条件が課されることになる。すなわち、導電線Ｗ
１，Ｗ２間の静電容量は、検出端の位置に液体が存在す
るか否かで有意差を生じるが、それ以外の位置（単なる
配線として機能する部分）における液体の有無によって
は有意差が生じないようにしておかねばならない。さも
なければ、所定の観測点Ｑの位置（この場合、検出端の
位置）に液体が存在するか否かを検出する、という本発
明で用いる電極対として必要な機能を果たすことができ
ない。

【００３８】もっとも、この条件は、絶縁膜Ｉ１の厚み
θ１か、絶縁膜Ｉ２の厚みθ２か、の少なくともいずれ
か一方について満たされていれば足りるので、理論的に
は、たとえば、図７に示す絶縁膜Ｉ２は省略しても、も
う一方の絶縁膜Ｉ１の厚みθ１が上述の条件を満たして
いればよい。したがって、図７に示す導電線対ＰＰの代
わりに、図９に示すような導電線対ＰＰ^＊を用いること
もできる。導電線対ＰＰ^＊は、やはり互いに平行な第１
導電線Ｗ１および第２導電線Ｗ３から構成されている。
ただ、第１導電線Ｗ１の側部表面は絶縁膜Ｉ１によって
被覆されているが、第２導電線Ｗ３は絶縁膜Ｉ１と同じ
径の太い導電線から構成されており、被覆用絶縁膜を有
していない。このような導電線対ＰＰ^＊を用いても、検
出端には、電極Ｅｃ（第１導電線Ｗ１の露出部分）と電
極Ｅｅ（第２導電線Ｗ２の端部）とによって電極対Ｐが
形成されるので、絶縁膜Ｉ１の厚みを上述した条件を満
たす程度に厚く設定しておけば、導電線対ＰＰと同等の
機能を果たすことができる。もちろん、この場合も、検
出端に厚みθ３を有する薄い絶縁膜Ｉ３を形成してもか
まわない。

【００３９】さて、本発明に係る水位センサは、上述し
たような導電線対ＰＰ（もしくは導電線対ＰＰ^＊）をｎ
組用意し、これらｎ組の導電線対の各検出端によって形
成されるｎ個の電極対が、各観測点に配置されるよう
に、各検出端を所定距離だけずらした状態で各導電線対
を固定することにより構成することができる。たとえ
ば、図１０は、ｎ＝７として、７組の導電線対ＰＰ１〜
ＰＰ７を用いて本発明に係る水位センサを構成した例を
示す上面図である。この例では、図に破線で示すよう
に、斜め方向に基準線１０が定義されており、この基準
線１０上に７個の観測点Ｑ１〜Ｑ７が定義されている。
そして、７組の導電線対ＰＰ１〜ＰＰ７の検出面（図の
下端面）は、これら観測点Ｑ１〜Ｑ７の位置に配置され
ている。たとえば、第１番目の導電線対ＰＰ１の検出面
には、観測点Ｑ１を挟んで一対の電極Ｅｃ，Ｅｄ（導電
線対ＰＰ１の下端面に露出した導電線の端部）が配置さ
れており、この電極Ｅｃ，Ｅｄ間の静電容量値を測定す
ることにより、観測点Ｑ１の位置に液体が存在するか否
かの二値情報が得られることになる。

【００４０】図１０に示す例では、各導電線対ＰＰ１〜
ＰＰ７の第１導電線は、それぞれ検出端子Ｔ１〜Ｔ７に
接続されており、第２導電線はいずれも接地されてい
る。したがって、たとえば、観測点Ｑ１の位置に液体が
存在するか否かの判定は、検出端子Ｔ１と接地端子との
間の静電容量値に基づいて行われることになる。図１１
は、図１０に示す水位センサの変形例を示す断面図であ
る。この例では、平板状の絶縁構造体４０の中に、１４
本の導電線が埋め込まれている。すなわち、導電線対Ｐ
Ｐ１〜ＰＰ７は、それぞれ第１導電線Ｗ１と第２導電線
Ｗ２とから構成されており、平板状の絶縁構造体４０が
個々の導電線についての絶縁膜として機能している。こ
のような構造を採れば、個々の導電線Ｗ１，Ｗ２のそれ
ぞれに絶縁膜Ｉ１，Ｉ２を形成する必要はなくなり、平
板状の絶縁構造体４０が絶縁膜Ｉ１，Ｉ２として機能す
ることになる。

【００４１】図１２は、図１０に示す水位センサの別な
変形例を構成する部品を示す。まず、図１２(a) の平面
図に示すように、１２本の導電線５１〜６２を用意す
る。これら１２本の導電線は、いずれも図１３の斜視図
に示すような構造を有する。すなわち、中心部分に導電
線本芯Ｗが配され、その側部表面は絶縁膜Ｉによって被
覆されている。ここでは、このような構造を有する１２
本の導電線５１〜６２を個別導電線と呼ぶことにする。
この個別導電線の一方の端は検出端となり、この検出端
において導電線本芯Ｗの端部が露出しており、この露出
端が電極Ｅとして機能することになる。図１２(a) の平
面図に示すように、１２本の個別導電線５１〜６２はそ
れぞれ長さが異なり、個別導電線５１が最も長く、以
下、個別導電線５２，５３，５４…と徐々に短くなり、
個別導電線６２が最も短くなっている。これは、各個別
導電線の検出端（図１２(a) における各個別導電線の下
端）の位置を少しずつずらすためである。

【００４２】一方、図１２(b) に示すような共通導電線
５０を１本用意する。この共通導電線５０は、個別導電
線５１〜６２の検出端に位置する電極Ｅに対する共通の
対向電極として機能する導電線であり、この例では、各
個別導電線５１〜６２に比べて径の大きな円柱状の導体
から構成されている。ここで、図１２(a) に示す１２本
の個別導電線５１〜６２を、この共通導電線５０の周囲
を取り囲むように配置すると、図１４に示すような構造
が得られる。すなわち、１本の共通導電線５０を中心と
して、１２本の個別導電線５１〜６２が互いに平行状態
を保ちつつ取り囲んでいる。しかも、各個別導電線５１
〜６２の下端がそれぞれ検出端となっており、導電線本
芯Ｗの露出端がそれぞれ電極Ｅを構成している。いま、
各個別導電線５１〜６２の下端に露出した電極Ｅの位置
を、それぞれ観測点Ｑ１〜Ｑ１２と定義すれば、図１４
に示されているように、観測点Ｑ１〜Ｑ１２は、共通導
電線５０の周囲を螺旋状に取り巻く基準線上に所定間隔
で配置されていることになる。

【００４３】ここで、たとえば、観測点Ｑ１付近に着目
すると、個別導電線５１の検出端（導電線本芯Ｗの下端
の露出部分）と、その近傍に位置する共通導電線５０の
側部表面とによって電極対が形成されていることがわか
る。同様に、観測点Ｑ２付近では、個別導電線５２の検
出端と、その近傍に位置する共通導電線５０の側部表面
とによって電極対が形成されている。結局、共通導電線
５０の周囲を螺旋状に取り巻く基準線上に配置された１
２個の観測点Ｑ１〜Ｑ１２の位置に、それぞれ電極対が
形成されており、合計１２組の電極対が形成されている
ことになる。これら１２組の電極対の一方は、個別導電
線５１〜６２の検出端であり、他方は、共通導電線５０
の側部表面ということになる。したがって、たとえば、
共通導電線５０を接地し、個別導電線５１〜６２をそれ
ぞれ検出端子Ｔ１〜Ｔ１２に接続すれば、１２組の電極
対の電極間容量値Ｃ１〜Ｃ１２を、各検出端子Ｔ１〜Ｔ
１２を利用して測定することが可能になる。これら容量
値Ｃ１〜Ｃ１２によって、各観測点Ｑ１〜Ｑ１２の位置
に液体が存在するか否かを判定することができる点は既
に述べたとおりであり、各観測点Ｑ１〜Ｑ１２の配置間
隔に応じた精度で水位の検出が可能になる。

【００４４】なお、上述の例では、各個別導電線５１の
検出端（導電線本芯Ｗの下端）を露出状態にしている
が、液体が導電線本芯Ｗの端部に直接触れると、導電線
本芯Ｗが腐蝕するような弊害が生じる場合には、検出端
を薄い絶縁膜によって被覆状態にしてもかまわない。た
だし、被覆に用いる絶縁膜の厚みには留意する必要があ
る。すなわち、導電線本芯Ｗの端部は、共通導電線５０
の側部表面とともに電極対を構成し、観測点Ｑの位置に
液体が存在するか否かを検知する機能を有していなけれ
ばならない。したがって、この絶縁膜には、「周囲の誘
電率の変化に起因して、形成される電極対（導電線本芯
Ｗの端部とその近傍に位置する共通導電線５０の側部と
によって形成される電極対）の電極間容量値に、判定手
段によって認識されうる有意な変化が生じる程度に十分
に薄いこと」という条件が課されることになる。

【００４５】これに対し、図１３において、導電線本芯
Ｗの側部表面を被覆している絶縁膜Ｉの厚みθは、「周
囲の誘電率の変化に起因して、形成される電極対（導電
線本芯Ｗの端部とその近傍に位置する共通導電線５０の
側部とによって形成される電極対）の電極間容量値に、
判定手段によって認識されうる有意な変化が生じること
がない程度に十分に厚いこと」という条件が課されるこ
とになる。このような条件下では、たとえば、個別導電
線５１と共通導電線５０との間の静電容量は、観測点Ｑ
１の位置に液体が存在するか否かで有意差を生じるが、
それ以外の位置における液体の有無によっては有意差は
生じない。したがって、図１４において、水位が下方か
ら上方へと徐々に上昇していった場合を考えると、個別
導電線５１と共通導電線５０との間の静電容量は、水位
が観測点Ｑ１の位置を通過したときに急激な変化を示す
が、以後は、有意な変化は示さないことになる。

【００４６】§３． 一対の電極を垂直方向に並べた実
施形態 これまで§２で述べた種々の実施形態は、いずれも、図
２(a) に示すように、一対の電極を水平方向に並べてな
る電極対を各観測点に配置したものであった。ここで
は、図３(a) に示すように、一対の電極を垂直方向に並
べてなる電極対を各観測点に配置した具体的な実施形態
を述べることにする。

【００４７】図１５は、この§３で述べる水位センサの
基本的な実施形態を示す原理図である。この水位センサ
と、既に述べた図１に示す水位センサとの相違は、７組
の電極対Ｐ１〜Ｐ７を構成する個々の電極の配置であ
る。すなわち、図１に示す水位センサでは、７組の電極
対Ｐ１〜Ｐ７はいずれも一対の電極を水平方向に並べる
ことにより構成されているが、図１５に示す水位センサ
では、７組の電極対Ｐ１〜Ｐ７はいずれも一対の電極を
垂直方向に並べることにより構成されている。具体的に
は、図１５に示す水位センサの場合、７組の電極対Ｐ１
〜Ｐ７は、それぞれ低水位側に配された低水位電極Ｅ１
Ｌ〜Ｅ７Ｌと、高水位側に配された高水位電極Ｅ１Ｈ〜
Ｅ７Ｈとによって構成されている。このように、各電極
対を構成する電極の配置方向を変えても、本発明の基本
原理に基づく水位測定を支障なく行うことができる。た
とえば、図１５に示す液面Ｌまで液体で満たされていた
場合、電極対Ｐ１〜Ｐ４を構成する電極間の誘電率は高
くなるため、観測点Ｑ１〜Ｑ４については液体が存在す
る旨の判定がなされ、観測点Ｑ４の位置が水位として出
力されることになる。

【００４８】既に述べたように、原理的には、電極対を
構成する一対の電極の配置方向は、どのような方向にと
ってもよく、図３(b) に示すように、斜め方向に配置し
てもかまわない。ただ、図３(a) に示すように、一対の
電極を垂直方向に配置すると、上下に隣接する電極を単
一の電極に併合することができるというメリットが得ら
れる。たとえば、図１５に示す構造では、各電極対ごと
に２枚ずつの電極が配置され、合計１４枚の電極によっ
て７組の電極対Ｐ１〜Ｐ７が形成されている。具体的に
は、たとえば、観測点Ｑ１における液体の有無を検出す
るための電極対Ｐ１は、低水位電極Ｅ１Ｌと高水位電極
Ｅ１Ｈとによって構成されており、同様に、観測点Ｑ２
における液体の有無を検出するための電極対Ｐ２は、低
水位電極Ｅ２Ｌと高水位電極Ｅ２Ｈとによって構成され
ている。

【００４９】これに対して、図１６に示すような電極構
成を考えてみる。この図１６の例では、合計８枚の電極
Ｅ１〜Ｅ８しか配置されていないにもかかわらず、合計
７組の電極対Ｐ１〜Ｐ７を形成することが可能である。
その理由は、電極Ｅ２〜Ｅ７のそれぞれが、図１５にお
いて上下に隣接する２枚分の電極を兼ねた機能を果たす
ためである。すなわち、電極Ｅ２〜Ｅ７は、各観測点Ｑ
１〜Ｑ７の中間点位置に配置されており、下方に位置す
る観測点に関する高水位電極として機能するとともに、
上方に位置する観測点に関する低水位電極として機能す
ることになる。たとえば、電極Ｅ２は、観測点Ｑ１に関
しては高水位電極として機能し、図１５における高水位
電極Ｅ１Ｈと同等の働きをする。したがって、最下端に
配置された電極Ｅ１（この電極は、図１５における低水
位電極Ｅ１Ｌとしての機能のみを果たす）と電極Ｅ２と
により、観測点Ｑ１における液体の有無を検出するため
の電極対Ｐ１が形成されることになる。一方、この電極
Ｅ２は、観測点Ｑ２に関しては低水位電極として機能
し、図１５における低水位電極Ｅ２Ｌと同等の働きをす
る。したがって、電極Ｅ３（この場合は、図１５におけ
る高水位電極Ｅ２Ｈとして機能する）と電極Ｅ２とによ
り、観測点Ｑ２における液体の有無を検出するための電
極対Ｐ２が形成されることになる。

【００５０】このように、電極Ｅ２は、観測点Ｑ１につ
いては電極対Ｐ１の高水位側の電極として機能し、観測
点Ｑ２については電極対Ｐ２の低水位側の電極として機
能することになる。同様に、電極Ｅ３は、観測点Ｑ２に
ついては電極対Ｐ２の高水位側の電極として機能し、観
測点Ｑ３については電極対Ｐ３の低水位側の電極として
機能することになる。以下、同様に、電極Ｅ４，Ｅ５，
Ｅ６，Ｅ７は、いずれも高水位電極と低水位電極との両
方の機能を果たすことになる。なお、最上端に配置され
た電極Ｅ８は、電極対Ｐ７についての高水位電極Ｅ７Ｈ
としての機能のみを果たす。

【００５１】結局、図１５に示すように、ｎ組の電極対
（この例ではｎ＝７）を、低水位側に配された低水位電
極Ｅ１Ｌ〜ＥｎＬと、高水位側に配された高水位電極Ｅ
１Ｈ〜ＥｎＨとによって構成した場合に、低水位側から
第ｋ番目（１≦ｋ＜ｎ）の電極対Ｐｋを構成する高水位
電極ＰｋＨと、第（ｋ＋１）番目の電極対Ｐ（ｋ＋１）
を構成する低水位電極Ｐ（ｋ＋１）Ｌとを物理的に同一
の兼用電極Ｅ（ｋ＋１）で構成することにより、（ｎ＋
１）個の電極Ｅ１〜Ｅ（ｎ＋１）によってｎ組の電極対
Ｐ１〜Ｐｎを形成することができる。このように、上下
に隣接する電極を物理的に同一の兼用電極に併合すれ
ば、より効率的な電極配置が可能になり、製造コストを
低減させる効果も得られる。

【００５２】図１７は、このような兼用電極を利用した
一実施形態を示す斜視図である。管状構造体７０は、絶
縁材料から構成された円筒状の構造体であり、内部に液
体が侵入する空洞部７１を有する。ここでは、この管状
構造体７０の中心軸上に基準線１０を定義しているが、
図示の便宜上、この基準線１０を図の左方に移動して基
準線１０′として示してある。基準線１０′上には、等
間隔に１０個の観測点Ｑ１〜Ｑ１０が、低水位側から高
水位側に向かって配置されている（実際には、これら観
測点Ｑ１〜Ｑ１０は、空洞部７１内に定義されてい
る）。

【００５３】管状構造体７０の表面には、１１枚の電極
層Ｅ１〜Ｅ１１が基準線１０に沿って所定間隔（この例
では等間隔）をおいて配置されている。ここで、各電極
層Ｅ１〜Ｅ１１は、管状構造体７０の周囲を取り巻くよ
うな円筒構造を有している。この合計１１枚の電極層Ｅ
１〜Ｅ１１のうち、電極層Ｅ２〜Ｅ１０は兼用電極とし
て機能し、上下に隣接する一対の電極層により１組の電
極対が構成される。また、観測点Ｑ１〜Ｑ１０は、それ
ぞれ上下に隣接する一対の電極層の中間に位置する（た
とえば、観測点Ｑ１は、電極Ｅ１とＥ２との中間に位置
する）。こうして、合計１１枚の電極層Ｅ１〜Ｅ１１に
よって、合計１０組の電極対Ｐ１〜Ｐ１０が形成され
る。たとえば、電極層Ｅ１とＥ２とによって、その中間
に位置する観測点Ｑ１に液体が存在するか否かを検出す
るための電極対Ｐ１が形成され、電極層Ｅ２とＥ３とに
よって、その中間に位置する観測点Ｑ２に液体が存在す
るか否かを検出するための電極対Ｐ２が形成される。

【００５４】各電極層Ｅ１〜Ｅ１１は、空洞部７１を取
り囲むような円筒構造をした電極ではあるものの、その
基本的な機能は、図１６に示す電極Ｅ１〜Ｅ８と同等で
あり、水位の測定が可能になる。たとえば、観測点Ｑ１
の位置に液体が存在するか否かは、電極層Ｅ１，Ｅ２間
の静電容量値が所定の基準値を越えているか否かによっ
て判定することができ、観測点Ｑ２の位置に液体が存在
するか否かは、電極層Ｅ２，Ｅ３間の静電容量値が所定
の基準値を越えているか否かによって判定することがで
きる。

【００５５】図１８は、兼用電極を利用した別な実施形
態を示す平面図である。この例では、１１本の導電線８
１〜９１が互いに平行になるようにして、第１番目の導
電線８１から第１１番目の導電線９１に至るまで順に二
次元的に隣接配置されている。各導電線は、図１３に示
す個別導電線と同じ構造、すなわち、導電線本芯Ｗの側
部表面を厚みθの絶縁層Ｉで被覆した構造を有する。各
導電線８１〜９１の下端は検出端となっており、導電線
本芯Ｗの端部が露出し、この露出端は電極Ｅとして機能
する。また、図に破線で示すような基準線１０が定義さ
れており、第ｉ番目（１≦ｉ≦１０）の導電線の検出端
よりも第（ｉ＋１）番目の導電線の検出端の方が、基準
線１０に沿って所定距離だけ高水位側に位置するよう
に、各検出端を所定距離だけ順次ずらした状態で各導電
線は固定されている。

【００５６】このような構造を有するセンサでは、第ｉ
番目の導電線の検出端と第（ｉ＋１）番目の導電線の検
出端とによって、第ｉ番目の電極対Ｐｉが形成される。
たとえば、第１番目の導電線８１の検出端（図の下端）
と第２番目の導電線８２の検出端（図の下端）とによっ
て、第１番目の電極対Ｐ１が形成される。結局、合計１
１本の導電線によって、合計１０組の電極対Ｐ１〜Ｐ１
０が形成されることになる（図１８では、奇数番目の電
極対Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５…を示す符号を図の上方に記述し
ているが、これは図示の便宜上、すべての符号Ｐ１〜Ｐ
１０を図の下方に記述することができないためであり、
実際には、すべての電極対Ｐ１〜Ｐ１０は各導電線８１
〜９１の下端部に形成されている）。

【００５７】ここで、図示のように、基準線１０上に１
０個の観測点Ｑ１〜Ｑ１０を定義すれば、各電極対Ｐ１
〜Ｐ１０は、それぞれ観測点Ｑ１〜Ｑ１０の位置におけ
る液体の有無を検出するのに適した位置に配置されてい
ることがわかる。たとえば、電極対Ｐ１は、第１番目の
導電線８１内の導電線本芯Ｗの下端からなる電極と、第
２番目の導電線８２内の導電線本芯Ｗの下端からなる電
極とによって構成されているが、これら両電極は、観測
点Ｑ１を挟む位置に配置されており、観測点Ｑ１の位置
における液体の有無によって、両電極間の静電容量値に
変化が生じることになる。結局、１０組の電極対Ｐ１〜
Ｐ１０のそれぞれについての電極間容量値を測定するこ
とにより、各観測点Ｑ１〜Ｑ１０の位置における液体の
有無を判定することが可能になり、水位を決定すること
ができる。

【００５８】なお、これまでの例でも述べたとおり、各
導電線８１〜９１の下方の検出端は、露出状態にしてお
いてもよいし、液体の接触による腐蝕を防ぐために薄い
絶縁膜によって被覆状態にしてもよい。ただ、被覆する
絶縁膜の厚みは、観測点の周囲の誘電率の変化に起因し
て、当該観測点についての電極対の電極間容量値に、判
定手段によって認識されうる有意な変化が生じるように
十分に薄くしておく必要がある。また、各導電線８１〜
９１の側部表面を被覆する絶縁膜Ｉの厚みは、各導電線
８１〜９１の側部表面の周囲の誘電率の変化に起因し
て、電極対の電極間容量値に、判定手段によって認識さ
れうる有意な変化が生じることがない程度に十分に厚く
しておく必要がある。

【００５９】§４．判定手段を構成する回路 これまで述べてきたように、本発明に係る水位センサで
は、所定の基準線１０に沿って定義された複数の観測点
付近に電極対を設け、各電極対の電極間容量値が所定の
基準値を越えるか否かによって、当該観測点位置に液体
が存在するか否かを判定している。そのため、たとえば
図１，図１５，図１６に示す例では、各電極対Ｐ１〜Ｐ
７のそれぞれについて、判定手段１１〜１７が設けられ
ている。ここでは、これら判定手段１１〜１７を実現す
るための具体的な回路例を述べることにする。

【００６０】図１９は、このような回路の一例を示す回
路図である。ここで、一点鎖線で囲った回路１１０，１
２０，…は、それぞれ１つの判定手段を構成する。これ
らの判定手段の回路構成はいずれも同一である。たとえ
ば、図１に示す例に適用する場合には、判定手段１１〜
１７として、回路１１０，１２０，…，１７０が並列に
設けられることになる。回路１１０は、図１９に示すよ
うに、抵抗素子１１１，１１２、可変容量素子Ｃ１、排
他的論理和ゲート１１３、抵抗素子１１４、容量素子１
１５、コンパレータ１１６、抵抗素子１１７，１１８，
１１９によって構成されている。回路１２０も全く同様
に、構成要素１２１〜１２９によって構成されている。
図示されていない回路１３０〜１７０についても同様で
ある。なお、回路１１０内の可変容量素子Ｃ１は、図
１，図１５，図１６などに示されている水位センサにお
ける電極対Ｐ１に相当する素子である。回路図中、電極
対Ｐ１を可変容量素子Ｃ１として示したのは、観測点Ｑ
１における液体の有無によって容量値が変化することを
考慮したためである。

【００６１】さて、これらの回路の入力段には、図にCL
OCK として示した矩形波信号が与えられる。ここでは、
このような矩形波信号が与えられた場合の回路１１０の
動作を説明する。回路１１０に与えられた矩形波信号
は、２つの伝達路に分岐して伝播する。すなわち、図示
のとおり、上方の伝達路は、抵抗素子１１１および可変
容量素子Ｃ１（電極対Ｐ１）の直列接続からなる経路で
あり、下方の伝達路は、抵抗素子１１２からなる経路で
ある。結局、下方の伝達路は単なる抵抗素子から構成さ
れるのに対し、上方の伝達路はＣＲ遅延回路から構成さ
れることになる。したがって、２つの伝達路に分岐した
矩形波信号を比べると、下方の伝達路を通った信号に比
べ、上方の伝達路を通った信号は遅延を生じることにな
る。この遅延時間は、可変容量素子Ｃ１の容量値に応じ
て変化する。すなわち、可変容量素子Ｃ１の容量値が大
きくなればなるほど、遅延時間は長くなる。そこで、こ
の遅延時間を予め設定した所定の基準時間と比較すれ
ば、可変容量素子Ｃ１の容量値が所定の基準値を越えた
か否かの判定、別言すれば、観測点Ｑ１の位置に液体が
存在するか否かの判定を行うことができる。これが、回
路１１０による判定動作の基本原理である。

【００６２】さて、この遅延時間と基準時間との比較を
行うために、回路１１０では次のような信号処理を行っ
ている。すなわち、２つの伝達路に分岐して伝播した矩
形波信号は、排他的論理和ゲート１１３の各入力端子に
与えられ、その出力端子からは、両矩形波信号の排他的
論理和に相当する信号が出力される。この出力信号のデ
ューティー比は、上方の伝達路における遅延時間に依存
したものになる。続いて、この出力信号は、平滑用のＣ
Ｒ回路、すなわち、抵抗素子１１４および容量素子１１
５からなる回路を介して、コンパレータ１１６の第１の
入力端子に与えられる。上述したように、この出力信号
のデューティー比は遅延時間に依存したものになるた
め、遅延時間が長くなればなるほど、コンパレータ１１
６の第１の入力端子に与えられる電圧は高くなる。別言
すれば、コンパレータ１１６の第１の入力端子の入力電
圧は、可変容量素子Ｃ１の容量値に依存した値となり、
観測点Ｑ１に液体が存在していない場合に比べて、観測
点Ｑ１に液体が存在している場合の方が電圧は高くな
る。

【００６３】コンパレータ１１６の第２の入力端子に与
えられる電圧は、所定の基準値に相当する基準電圧であ
り、２つの抵抗素子１１７，１１８の抵抗値の比を選択
することによって任意に設定することが可能である。か
くして、コンパレータ１１６において、第１の入力端子
に与えられる電圧と、第２の入力端子に与えられる基準
電圧とが比較され、前者が後者を越えない場合には、コ
ンパレータ１１６から出力ノードＢ１にデジタル値
“０”が出力され、観測点Ｑ１には液体が存在しないと
の判定がなされ、逆に、前者が後者を越えた場合には、
コンパレータ１１６から出力ノードＢ１にデジタル値
“１”が出力され、観測点Ｑ１には液体が存在するとの
判定がなされることになる。

【００６４】他の観測点Ｑ２〜Ｑ７についての回路１２
０〜１７０においても同様の判定がなされ、結局、回路
１１０〜１７０の各出力ノードＢ１〜Ｂ７には、それぞ
れ“０”または“１”のいずれかのデジタル出力（二値
情報）が得られることになる。水位出力手段２０は、こ
れら各出力ノードＢ１〜Ｂ７に得られるデジタル出力に
基づいて、求める水位レベルを出力する。たとえば、出
力ノードＢ１〜Ｂ７のデジタル出力が、１１１１０００
となっていれば、第１番目の観測点Ｑ１〜第４番目の観
測点Ｑ４について液体が存在するとの判定がなされたこ
とになるので、観測点Ｑ４の位置を水位レベルとして出
力すればよい（もちろん、観測点Ｑ５の位置を水位レベ
ルとしたり、観測点Ｑ４とＱ５との中間点位置を水位レ
ベルとしたりすることも可能である）。

【００６５】続いて、図２０の回路を説明する。この回
路は、図１６、図１７、図１８に示す実施形態に係る水
位センサ用の判定手段としての利用に適した回路であ
る。前述したように、図１６、図１７、図１８に示す実
施形態に係る水位センサでは、１つの電極が、上下に隣
接した２組の電極対の兼用電極として利用されるため、
判定手段としての回路構成に若干の工夫が必要になる。
ここでは、図１７に示す水位センサに適用するための回
路構成を説明する。

【００６６】図１７に示す水位センサでは、既に述べた
ように、合計１１枚の電極層Ｅ１〜Ｅ１１によって、合
計１０組の電極対Ｐ１〜Ｐ１０を形成している。ここ
で、電極層Ｅ２〜Ｅ１０はいずれも兼用電極として機能
し、上下に隣接した２組の電極対に関与する。そこで、
これら１１枚の電極層Ｅ１〜Ｅ１１に対して、図２１に
示すような配線を施す。この例では、奇数番目の電極層
Ｅ１，Ｅ３，Ｅ５，…，Ｅ１１は接地され、偶数番目の
電極層Ｅ２，Ｅ４，…，Ｅ１０は、それぞれノードＮ
２，Ｎ４，…，Ｎ１０に接続される。図２２は、このよ
うな配線の等価回路である。この等価回路を見れば、電
極層Ｅ２〜Ｅ１０が兼用電極として機能し、上下に隣接
した２組の電極対に関与していることがわかる。

【００６７】図２０に示す回路は、上述した５つのノー
ドＮ２，Ｎ４，…，Ｎ１０に関する信号を処理するため
の回路である。すなわち、図２０に示されている回路２
１０は、ノードＮ２に関する信号を処理する回路であ
り、図示されている回路２２０は、ノードＮ４に関する
信号を処理する回路である。また、図２０には図示が省
略されているが、実際には、ノードＮ３に関する信号を
処理するための回路２３０、ノードＮ４に関する信号を
処理するための回路２４０、ノードＮ５に関する信号を
処理するための回路２５０が設けられている。これら５
つの回路２１０〜２５０の構成は全く同様である。

【００６８】回路２１０は、抵抗素子２１１，２１２、
可変容量素子Ｃ１，Ｃ２、排他的論理和ゲート２１３、
抵抗素子２１４、容量素子２１５、コンパレータ２０６
ａ，２０６ｂ、抵抗素子２１７，２１８，２１９によっ
て構成されている。回路２２０も全く同様に、構成要素
２２１〜２２９によって構成されている。図示されてい
ない回路２３０〜２５０についても同様である。

【００６９】ここで、回路２１０内の可変容量素子Ｃ１
は、図１７に示す水位センサにおける電極対Ｐ１に相当
する素子であり、可変容量素子Ｃ２は、電極対Ｐ２に相
当する素子である。図２１に示すように、電極層Ｅ２
が、ノードＮ２に接続されており、電極層Ｅ１，Ｅ３が
接地されている状態を考慮すれば、回路２１０内の可変
容量素子Ｃ１，Ｃ２が電極対Ｐ１，Ｐ２に相当すること
が理解できるであろう。なお、回路図中、電極対Ｐ１，
Ｐ２を可変容量素子Ｃ１，Ｃ２として示したのは、観測
点Ｑ１，Ｑ２における液体の有無によって容量素子Ｃ
１，Ｃ２の容量値が変化することを考慮したためであ
る。

【００７０】この図２０に示す回路の動作原理は、前述
した図１９に示す回路の動作原理と全く同様である。す
なわち、容量素子の容量値を遅延時間として検出し、こ
の遅延時間を所定の基準値と比較することにより、観測
点における液体の有無を判定することになる。ただ、こ
の図２０に示す回路では、１つの回路によって、２つの
観測点についての判定がなされる点に特徴がある。

【００７１】まず、各回路２１０〜２５０の入力段に
は、図にCLOCK として示した矩形波信号が与えられる。
ここでは、このような矩形波信号が与えられた場合の回
路２１０の動作を説明する。回路２１０に与えられた矩
形波信号は、２つの伝達路に分岐して伝播する。すなわ
ち、図示のとおり、上方の伝達路は、抵抗素子２１１，
可変容量素子Ｃ１，Ｃ２（電極対Ｐ１，Ｐ２）からなる
経路であり、ＣＲ遅延回路を構成し、下方の伝達路は、
抵抗素子２１２からなる経路である。ただ、このＣＲ遅
延回路では、２つの可変容量素子Ｃ１，Ｃ２が並列接続
されているため、遅延時間は、この２つの可変容量素子
Ｃ１，Ｃ２の容量値の和によって定まることになる。

【００７２】こうして２つの伝達路に分岐して伝播した
矩形波信号は、排他的論理和ゲート２１３の各入力端子
に与えられ、その出力端子からは、両矩形波信号の排他
的論理和に相当する信号が出力される。前述したよう
に、この出力信号のデューティー比は、上方の伝達路に
おける遅延時間に依存したものになる。続いて、この出
力信号は、平滑用のＣＲ回路、すなわち、抵抗素子２１
４および容量素子２１５からなる回路を介して、ノード
ＮＮを通り、コンパレータ２１６ａおよび２１６ｂのそ
れぞれ第１の入力端子に与えられる。一方、コンパレー
タ２１６ａの第２の入力端子には、「抵抗素子２１７の
抵抗値と抵抗素子２１８の抵抗値との和」と、「抵抗素
子２１９の抵抗値」と、の比によって定まる第１の基準
電圧Ｖｒ１が与えられ、コンパレータ２１６ｂの第２の
入力端子には、「抵抗素子２１７の抵抗値」と「抵抗素
子２１８の抵抗値と抵抗素子２１９の抵抗値との和」
と、の比によって定まる第２の基準電圧Ｖｒ２（Ｖｒ２
＞Ｖｒ１）が与えられる。なお、これら各基準電圧Ｖｒ
１，Ｖｒ２は、３つの抵抗素子２１７，２１８，２１９
の抵抗値の比を選択することによって任意に設定するこ
とが可能である。

【００７３】いま、図１７に示す水位センサを水槽など
に設置した状態において、水位が観測点Ｑ１に達してい
ない場合を考える。この場合、観測点Ｑ１，Ｑ２の位置
には液体は存在しないので、電極対Ｐ１，Ｐ２の容量値
Ｃ１，Ｃ２はともに所定の基準値より小さな値になり、
遅延回路の遅延時間も所定の基準値より小さな値にな
る。このときのノードＮＮの電圧を、便宜上、電圧Ｖ１
と呼ぶことにする。続いて、水位が観測点Ｑ１とＱ２の
中間地点まで上昇した場合を考える。この場合、観測点
Ｑ１の位置には液体が存在するが、観測点Ｑ２の位置に
は液体は存在しない。したがって、電極対Ｐ２の容量値
Ｃ２は所定の基準値より小さな値になるが、電極対Ｐ１
の容量値Ｃ１は所定の基準値を越える値になる。このた
め、ノードＮＮの電圧は、前述の状態に比べて上昇す
る。このときのノードＮＮの電圧を、便宜上、電圧Ｖ２
と呼ぶことにする。更に、水位が観測点Ｑ２の位置まで
上昇した場合を考える。この場合、観測点Ｑ１の位置お
よび観測点Ｑ２の位置には、いずれも液体が存在するの
で、電極対Ｐ１，Ｐ２の容量値Ｃ１，Ｃ２はともに所定
の基準値を越えることになる。このため、ノードＮＮの
電圧は、前述の状態に比べて更に上昇する。このときの
ノードＮＮの電圧を、便宜上、電圧Ｖ３と呼ぶことにす
る。

【００７４】ここで、第１の基準電圧Ｖｒ１が、Ｖ１＜
Ｖｒ１＜Ｖ２となり、第２の基準電圧Ｖｒ２が、Ｖ２＜
Ｖｒ２＜Ｖ３となるように、３つの抵抗素子２１７，２
１８，２１９の抵抗値の比を適宜設定しておくようにす
れば、結局、コンパレータ２１６ａおよび２１６ｂから
各出力ノードＢ１，Ｂ２へのデジタル出力は次のように
なる。まず、水位が観測点Ｑ１に達していない場合に
は、コンパレータ２１６ａからの出力ノードＢ１へのデ
ジタル出力は“０”、コンパレータ２１６ｂからの出力
ノードＢ２へのデジタル出力も“０”となる。ところ
が、水位が観測点Ｑ１とＱ２の中間地点にある場合に
は、コンパレータ２１６ａからの出力ノードＢ１へのデ
ジタル出力は“１”、コンパレータ２１６ｂからの出力
ノードＢ２へのデジタル出力は“０”となる。更に、水
位が観測点Ｑ２の位置まで上昇した場合には、コンパレ
ータ２１６ａからの出力ノードＢ１へのデジタル出力は
“１”、コンパレータ２１６ｂからの出力ノードＢ２へ
のデジタル出力も“１”となる。

【００７５】以上、回路２１０による観測点Ｑ１，Ｑ２
に関する判定処理について述べたが、同様にして、回路
２２０により、観測点Ｑ３，Ｑ４に関する判定処理が行
われる。すなわち、回路２２０では、電極対Ｐ３，Ｐ４
の容量値Ｃ３，Ｃ４の和が遅延時間として検出されるこ
とになり、水位が観測点Ｑ３に達していない場合には、
コンパレータ２２６ａからの出力ノードＢ３へのデジタ
ル出力は“０”、コンパレータ２２６ｂからの出力ノー
ドＢ４へのデジタル出力も“０”となる。ところが、水
位が観測点Ｑ３とＱ４の中間地点にある場合には、コン
パレータ２２６ａからの出力ノードＢ３へのデジタル出
力は“１”、コンパレータ２２６ｂからの出力ノードＢ
４へのデジタル出力は“０”となる。更に、水位が観測
点Ｑ４の位置まで上昇した場合には、コンパレータ２２
６ａからの出力ノードＢ３へのデジタル出力は“１”、
コンパレータ２２６ｂからの出力ノードＢ４へのデジタ
ル出力も“１”となる。

【００７６】他の観測点Ｑ５〜Ｑ１０についても、回路
２３０，２４０，２５０によって同様の判定がなされ、
結局、全出力ノードＢ１〜Ｂ１０には、それぞれ“０”
または“１”のいずれかのデジタル出力（二値情報）が
得られることになる。水位出力手段２０は、これら各出
力ノードＢ１〜Ｂ１０に得られるデジタル出力に基づい
て、求める水位レベルを出力する。

【００７７】結局、図２０の回路構成を一般論で定義す
ると、図１７に示す水位センサにおける各電極層のう
ち、第ｉ番目（ただし、ｉは偶数）の電極層について、
第（ｉ−１）番目の電極層との組み合わせからなる低水
位側電極対と、第（ｉ＋１）番目の電極層との組み合わ
せからなる高水位側電極対とを定義し（たとえば、ｉ＝
２の場合、電極層Ｅ２とＥ１との組み合わせからなる低
水位側電極対Ｐ１と、電極層Ｅ２とＥ３との組み合わせ
からなる高水位側電極対Ｐ２とが定義される）、低水位
側電極対によって形成される容量素子と高水位側電極対
によって形成される容量素子とを並列接続して合成容量
素子を形成し（上例の場合、容量素子Ｃ１とＣ２の並列
接続により得られる容量素子）、この合成容量素子と所
定の抵抗素子とによって第ｉ番目の電極についての遅延
回路を構成し、この遅延回路に供給した信号の遅延時間
と所定の基準時間とを比較して、遅延時間が第１の基準
時間を越えた場合には、第（ｉ−１）番目の観測点（上
例の場合、観測点Ｑ１）の位置を水位として出力し、遅
延時間が第１の基準時間より大きい第２の基準時間を越
えた場合には、第ｉ番目の観測点（上例の場合、観測点
Ｑ２）の位置を水位として出力するような回路を用意す
ればよいことになる。

【００７８】このように、本発明に係る水位センサで
は、複数の観測点について、液体が存在するか否かが二
値情報として検出されることになり、この二値情報に基
づいて、観測点の配置間隔に応じた精度で変位検出が可
能になる。各観測点における液面の検出は、電極対の静
電容量値に基づいて行われるが、所定の基準値を越えた
か否かの二値情報として判定がなされるため、基準値を
適当な値に設定しておけば、温度や湿度あるいは不純物
の添加などによって大気や液体の誘電率に変動が生じた
としても、誤差のない正確な検出が可能になる。

【００７９】以上、本発明を図示するいくつかの実施形
態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に
限定されるものではなく、この他にも種々の形態で実施
可能である。特に、上述した個々の実施形態における各
電極の形状や形態は、いずれも一例を示したものであ
り、本発明はこれらの形状や形態に限定されるものでは
ない。特に、上述の実施形態では、水位の測定対象物と
して液体を用いる例を述べてきたが、本発明に係る水位
センサは、液体のレベル測定への利用に限定されるもの
ではなく、粘性体や粉体など、ある程度の流動性をもっ
た対象物の量を測定する分野にも応用可能である。たと
えば、米や麦などの穀物を収納する倉庫で利用すれば、
穀物の量を測定することが可能である。また、集合的に
流体とみなされるような多数の固体についても適用可能
である。たとえば、チップ状の抵抗素子やコンデンサと
いった小さな電子部品の量（収納庫内での収納高さ）を
測定することも可能である。説明の便宜上、本願明細書
では、「水位センサ」なる文言を用いているが、ここで
いう「水位」とは、液体のレベルだけでなく、粘性体、
粉体、集合的に流体とみなされるような多数の固体につ
いてのレベルも広く含むものである。

【００８０】なお、水などの液体、粘性体や粉体、米や
麦などの穀物、電子部品といった多種多様な測定対象物
について広く適用が可能な水位センサを実現する上で
は、各観測点に測定対象物が存在するか否かを判定する
ための基準値を調整できる機能を設けておくのが好まし
い。本来、この基準値は、当該測定対象物の有無を明確
に判定できるような値に設定すべきである。たとえば、
標準的な条件において、観測点に特定の測定対象物が存
在しない場合は１００、存在する場合は２００、という
検出値が得られるのであれば、基準値を１５０に設定し
ておけば、多少の条件変動があったとしても、誤差のな
い正確な判定が期待できる。ところが、測定対象物の種
類が異なると、必ずしも同一の基準値で正確な判定を行
うことは期待できなくなる。たとえば、測定対象物が存
在しない場合には１００、測定対象物Ｘが存在する場合
には１５０、測定対象物Ｙが存在する場合には２００、
という検出値が得られる場合、共通の基準値として１３
０というような値を設定するよりも、測定対象物Ｘにつ
いての測定を行う場合には基準値を１２５に設定し、測
定対象物Ｙについての測定を行う場合には基準値を１５
０に設定する、というように基準値を調節できるように
しておく方がより正確な測定が可能になる。

【００８１】前述した図１９および図２０に示す回路の
場合、抵抗素子の値を調整することによって、各基準値
を調整することができるので、調整が必要な抵抗素子に
ついては、たとえば可変抵抗器を用いるようにすれば、
このような調整機能を容易に付加することが可能にな
る。

【００８２】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る水位センサに
よれば、低水位側から高水位側に向かう基準線に沿って
複数の観測点を定義し、各観測点位置における液体の有
無を電極対の容量値に基づいて二値情報として得るよう
にしたため、どのような測定環境においても正確な水位
測定を行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水位センサの基本的な実施形態を
示す原理図である。

【図２】図１に示す水位センサにおいて、各観測点Ｑの
位置おける液体の存否認定の原理を示す図およびグラフ
である。

【図３】一対の平板電極Ｅａ，Ｅｂを垂直方向あるいは
斜め方向に間隔ｄだけ隔てて配置することにより、電極
対Ｐを構成した例を示す図である。

【図４】管状構造体３０を利用した水位センサの一例を
示す斜視図である。

【図５】図４に示す水位センサの変形例を示す斜視図お
よびその等価回路図である。

【図６】一対の導体球によって、電極対Ｐを構成した例
を示す図である。

【図７】端部において電極対Ｐが形成された導電線対Ｐ
Ｐを示す斜視図である。

【図８】図７に示す導電線対ＰＰの端部に絶縁膜Ｉ３を
形成した状態を示す平面図である。

【図９】図７に示す導電線対ＰＰの変形例を示す斜視図
である。

【図１０】図７に示す導電線対ＰＰを７組用意して構成
した水位センサの平面図である。

【図１１】図１０に示す水位センサの変形例を示す断面
図である。

【図１２】導電線を用いた別な形態の水位センサを構成
する部品を示す平面図および斜視図である。

【図１３】図１２に示す導電線５１〜６２の構造を示す
斜視図である。

【図１４】図１２に示す部品を用いて構成された水位セ
ンサの斜視図である。

【図１５】電極を垂直方向に配置してなる水位センサの
基本的な実施形態を示す原理図である。

【図１６】図１５に示す水位センサと等価な水位センサ
の基本構造を示す図である。

【図１７】図１６に示す基本構造をもった水位センサの
一実施形態を示す斜視図である。

【図１８】図１６に示す基本構造をもった水位センサの
別な一実施形態を示す斜視図である。

【図１９】本発明に係る水位センサにおける判定回路の
具体例を示す回路図である。

【図２０】本発明に係る水位センサにおける判定回路の
別な具体例を示す回路図である。

【図２１】図１７に示す水位センサについての配線例を
示す図である。

【図２２】図２１に示す配線の等価回路を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

１…水槽 １０，１０′…基準線 １１〜１７…判定手段 ２０…水位出力手段 ３０…管状構造体 ３１…空洞部 ４０…平板状の絶縁構造体 ５０…共通導電線 ５１〜６２…個別導電線 ７０…管状構造体 ７１…空洞部 ８１〜９１…導電線 １１０…判定手段を構成する回路 １１１，１１２…抵抗素子 １１３…排他的論理和ゲート １１４…平滑用の抵抗素子 １１５…平滑用の容量素子 １１６…コンパレータ １１７，１１８，１１９…抵抗素子 １２０…判定手段を構成する回路 １２１，１２２…抵抗素子 １２３…排他的論理和ゲート １２４…平滑用の抵抗素子 １２５…平滑用の容量素子 １２６…コンパレータ １２７，１２８，１２９…抵抗素子 ２１０…判定手段を構成する回路 ２１１，２１２…抵抗素子 ２１３…排他的論理和ゲート ２１４…平滑用の抵抗素子 ２１５…平滑用の容量素子 ２１６ａ，２１６ｂ…コンパレータ ２１７，２１８，２１９…抵抗素子 ２２０…判定手段を構成する回路 ２２１，２２２…抵抗素子 ２２３…排他的論理和ゲート ２２４…平滑用の抵抗素子 ２２５…平滑用の容量素子 ２２６ａ，２２６ｂ…コンパレータ ２２７，２２８，２２９…抵抗素子 Ｂ１〜Ｂ４…出力ノード Ｃ…静電容量値 Ｃ１〜Ｃ１０…容量素子 ＣＬ…水位がＬのときに得られる静電容量値 Ｃth…静電容量の基準値 ｄ…電極間隔 Ｅ１〜Ｅ１１…電極層 Ｅ１ａ〜Ｅ７ａ，Ｅ１ｂ〜Ｅ７ｂ…電極層 Ｅ１Ｌ〜Ｅ７Ｌ，Ｅ１Ｈ〜Ｅ７Ｈ…電極 Ｅ，Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ，Ｅｄ，Ｅｅ…電極 Ｅｘｂ…共通電極層 ｆ…電気力線 Ｉ，Ｉ１〜Ｉ３…絶縁膜 Ｌ…液面 ＬＱ…液面レベル ＮＮ，Ｎ１〜Ｎ１０…ノード Ｐ，Ｐ１〜Ｐ１０…電極対 ＰＰ，ＰＰ^＊，ＰＰ１〜ＰＰ７…導電線対 Ｑ，Ｑ１〜Ｑ１２…観測点 Ｔ１〜Ｔ７…検出端子 Ｖｒ１，Ｖｒ２…基準電圧 Ｗ…導電線本芯 Ｗ１〜Ｗ３…導電線 εα…大気の誘電率 εβ…液体の誘電率 θ，θ１〜θ３…絶縁膜の厚み

───────────────────────────────────────────────────── 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 谷口 伸光 埼玉県上尾市菅谷４丁目73番地 株式会社 ワコー内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の基準位置から液面に至るまでの水
   位を測定する水位センサにおいて、 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
   組の電極対と、 前記ｎ組の電極対の各電極間容量値が所定の基準値を越
   えたか否かを判定するｎ個の判定手段と、 前記ｎ個の判定手段のうち、第１番目の判定手段から第
   ｉ番目の判定手段までが、基準値を越えた旨の判定結果
   を示したときに、第ｉ番目の観測点の位置を水位として
   出力する水位出力手段と、 を備えることを特徴とする水位センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の水位センサにおいて、 基準線に沿って伸び、内部に液体が侵入する空洞部を有
   する管状構造体を用意し、 前記管状構造体によって各電極対を支持するようにし、 前記空洞部内の各観測点位置に測定対象となる液体が存
   在するか否かに応じて、各電極対の電極間容量値が変化
   するように、各電極対を配置したことを特徴とする水位
   センサ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の水位センサにおいて、 各電極対を、空洞部を挟んで対向する位置に形成された
   一対の電極層により構成したことを特徴とする水位セン
   サ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の水位センサにおいて、 各電極対を、管状構造体の第１の側に配置される第１電
   極層と、管状構造体の第２の側に配置される第２電極層
   とによって構成し、 ｎ個の第１電極層をそれぞれ物理的に独立した個別の電
   極層により構成し、ｎ個の第２電極層を物理的に単一の
   共通電極層により構成したことを特徴とする水位セン
   サ。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の水位センサにおいて、 互いに平行な第１導電線および第２導電線から構成され
   る導電線対をｎ組用意し、これら導電線対の一方の端を
   検出端とし、 前記第１導電線の検出端および前記第２導電線の検出端
   によって電極対が形成されるようにし、 前記第１導電線の検出端および前記第２導電線の検出端
   は、周囲の誘電率の変化に起因して、前記電極対の電極
   間容量値に、判定手段によって認識されうる有意な変化
   が生じるような十分に薄い絶縁膜によって被覆状態にす
   るか、もしくは、露出状態にし、 少なくとも前記第１導電線の側部表面は、周囲の誘電率
   の変化に起因して、前記電極対の電極間容量値に、判定
   手段によって認識されうる有意な変化が生じることがな
   い程度に十分に厚い絶縁膜によって被覆状態にし、 前記ｎ組の導電線対の各検出端によって形成されるｎ個
   の電極対が、各観測点に配置されるように、各検出端を
   所定距離だけずらした状態で各導電線対を固定したこと
   を特徴とする水位センサ。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の水位センサにおいて、 １本の共通導電線とｎ本の個別導電線とを用意し、これ
   ら各導電線が互いに平行になるように、かつ、前記共通
   導電線を中心として前記ｎ本の個別導電線が周囲を取り
   囲むように配置し、前記ｎ本の個別導電線の一方の端を
   検出端とし、 前記個別導電線の検出端と、その近傍に位置する前記共
   通導電線の側部表面とによって電極対が形成されるよう
   にし、 前記共通導電線の側部表面および前記個別導電線の検出
   端は、周囲の誘電率の変化に起因して、前記電極対の電
   極間容量値に、判定手段によって認識されうる有意な変
   化が生じるような十分に薄い絶縁膜によって被覆状態に
   するか、もしくは、露出状態にし、 前記個別導電線の側部表面は、周囲の誘電率の変化に起
   因して、前記電極対の電極間容量値に、判定手段によっ
   て認識されうる有意な変化が生じることがない程度に十
   分に厚い絶縁膜によって被覆状態にし、 前記ｎ本の個別導電線の各検出端と前記共通導電線の側
   部表面とによって形成されるｎ個の電極対が、各観測点
   に配置されるように、各検出端を所定距離だけずらした
   状態で各個別導電線を固定したことを特徴とする水位セ
   ンサ。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の水位センサにおいて、 各電極対を、低水位側に配された低水位電極と、高水位
   側に配された高水位電極とによって構成し、 低水位側から第ｋ番目（１≦ｋ＜ｎ）の電極対を構成す
   る高水位電極と、第（ｋ＋１）番目の電極対を構成する
   低水位電極とを物理的に同一の電極で構成することによ
   り、（ｎ＋１）個の電極によってｎ組の電極対を形成し
   たことを特徴とする水位センサ。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の水位センサにおいて、 基準線に沿って伸び、内部に液体が侵入する空洞部を有
   する管状構造体を用意し、 前記管状構造体上に、前記基準線に沿って所定間隔で配
   された（ｎ＋１）個の電極層を形成し、上下に隣接する
   一対の電極層により１組の電極対を構成することにより
   合計ｎ組の電極対を形成したことを特徴とする水位セン
   サ。
9. 【請求項９】 請求項７に記載の水位センサにおいて、 （ｎ＋１）本の導電線を互いに平行になるようにして、
   第１番目の導電線から第（ｎ＋１）番目の導電線に至る
   まで順に二次元的に隣接配置し、各導電線の一方の端を
   検出端としたときに、第ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の導電線
   の検出端よりも第（ｉ＋１）番目の導電線の検出端の方
   が、前記基準線に沿って所定距離だけ高水位側に位置す
   るように、各検出端を所定距離だけ順次ずらした状態で
   各導電線を固定し、 第ｉ番目の導電線の検出端と第（ｉ＋１）番目の導電線
   の検出端とによって、第ｉ番目の電極対が形成されるよ
   うにし、 前記各検出端は、周囲の誘電率の変化に起因して、前記
   電極対の電極間容量値に、判定手段によって認識されう
   る有意な変化が生じるような十分に薄い絶縁膜によって
   被覆状態にするか、もしくは、露出状態にし、 前記各導電線の側部表面は、周囲の誘電率の変化に起因
   して、前記電極対の電極間容量値に、判定手段によって
   認識されうる有意な変化が生じることがない程度に十分
   に厚い絶縁膜によって被覆状態にしたことを特徴とする
   水位センサ。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかに記載の水位
    センサにおいて、 電極対によって形成される容量素子と所定の抵抗素子と
    によって遅延回路を構成し、この遅延回路に供給した信
    号の遅延時間と所定の基準時間とを比較することによ
    り、判定手段による判定を行うことを特徴とする水位セ
    ンサ。
11. 【請求項１１】 請求項７〜９のいずれかに記載の水位
    センサにおいて、 第ｉ番目（ただし、ｉは偶数）の電極について、第（ｉ
    −１）番目の電極との組み合わせからなる低水位側電極
    対と、第（ｉ＋１）番目の電極との組み合わせからなる
    高水位側電極対とを定義し、前記低水位側電極対によっ
    て形成される容量素子と前記高水位側電極対によって形
    成される容量素子とを並列接続して合成容量素子を形成
    し、この合成容量素子と所定の抵抗素子とによって第ｉ
    番目の電極についての遅延回路を構成し、 前記遅延回路に供給した信号の遅延時間と所定の基準時
    間とを比較して、前記遅延時間が第１の基準時間を越え
    た場合には、第（ｉ−１）番目の観測点の位置を水位と
    して出力し、前記遅延時間が前記第１の基準時間より大
    きい第２の基準時間を越えた場合には、第ｉ番目の観測
    点の位置を水位として出力することを特徴とする水位セ
    ンサ。
12. 【請求項１２】 請求項１〜１１のいずれかに記載の水
    位センサにおいて、 測定対象となる液体の種類に応じて、判定手段の基準値
    を調整できるようにしたことを特徴とする水位センサ。