WO2013061916A1 - 静電容量式液面センサー - Google Patents

静電容量式液面センサー Download PDF

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寛 村田
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株式会社生方製作所
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    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/02—Soldered or welded connections
    • H01R4/023—Soldered or welded connections between cables or wires and terminals

Definitions

  • the present invention relates to a capacitance type liquid level sensor for detecting the amount of liquid, and proposes a configuration suitable for one having an airtight terminal for mounting on an electric compressor or the like.
  • a capacitive sensor has been proposed as means for detecting the amount of non-conductive liquid such as oil.
  • This sensor detects the presence or amount of liquid by utilizing the fact that the capacitance between the electrodes changes when an electrically insulating liquid enters between the electrodes across the space.
  • an electrode is arranged in a cylindrical electrically insulating casing, or one electrode is configured in a cylindrical shape, and the capacitance of the liquid in the container changes from the capacitance between the electrodes, which changes as liquid enters and exits into the cylindrical portion.
  • Some capacitance-type liquid level sensors are designed to detect continuous fluctuations in the amount of liquid in real time as shown in the above prior art documents. Judgment to detect subtle changes in capacitance becomes difficult, and the capacitance changes depending on the type of liquid and the type and size of the container to which the sensor is attached. is there.
  • liquid level sensors having a simplified configuration by limiting the use only to the detection of the presence or absence of a liquid rather than a continuous amount of liquid have been proposed.
  • metal electrode plates 105 are fixed to each other at the tips of two conductive pins 104 fixed to the substrate 102 by welding, and are arranged so as to face each other substantially in parallel.
  • this liquid level sensor has a simple structure, the distance between the electrodes changes due to a slight inclination caused by welding between the electrode and the conductive pin. Therefore, in order to make the sensitivity uniform, the inclination generated during welding is removed. In addition, it is essential to adjust the distance between the electrodes. In particular, as the electrodes are lengthened so as to increase the area in order to obtain capacitance, the slight inclination of the welded part greatly affects the distance between the electrodes. Furthermore, since the cantilevered electrode is exposed, there is a possibility that the electrode may be deformed when a force is applied during assembly. Further, when the strength is increased by increasing the thickness of the electrode in order to prevent deformation, the stress is concentrated on a relatively weak weld or the like, so that the positional relationship of the electrode may be changed. Therefore, careful handling is required.
  • the two electrodes are welded in the same straight line connecting the conductive pins, it is necessary to insert one welding electrode between the conductive pins. Furthermore, when welding the second electrode, the previously fixed electrode also interferes with the welding operation. Further, as the sensor is miniaturized, the distance between the electrodes becomes narrower, so that the electrodes become thinner and thinner, and there is a problem that the pressure between the electrodes applied during welding cannot be obtained sufficiently.
  • the distance between the electrodes is made constant by configuring the liquid level detection unit mounted on the hermetic terminal as a detection unit unit with two electrodes and a spacer in advance. It is easy to maintain, and at least one connection terminal for connecting and fixing the detection unit to the conductive pin can be deformed with a weaker force than the electrode causes deformation, so that it is applied to the electrode of the detection unit. Disperses and relaxes stress. Furthermore, since the detection unit is connected and fixed to the hermetic terminal for the electric compressor, it can be easily handled and attached to the hermetic electric compressor.
  • connection terminal is made of a metal plate thinner than the electrode, or the length of the connection terminal is made longer than the actual distance between the fixed portions by largely bypassing the bent portion, thereby causing the electrode to be deformed. Can be deformed with a weak force, and the stress applied to the detection unit can be widely dispersed throughout the connection terminals.
  • connection terminals by increasing the rigidity of one of the two connection terminals and making the other connection terminal a flexible structure, it is possible to more easily both firmly fix the sealed glass terminal and disperse the stress. it can.
  • the liquid level sensor of the present invention by configuring a detection unit unit in which the positional relationship between the electrodes is fixed in advance as the liquid level detection unit, the adjustment work of the positional relationship between the electrodes becomes easy. Furthermore, the connection terminal for fixing the detection unit is made of a sufficiently elastic structure that can be deformed with a weaker force than the electrode causes deformation, so that stress caused by component assembly errors when fixing the detection unit. In addition, most of the force generated by the deformation of the airtight terminal can be dispersed and relaxed by the connection terminal, and the deformation and breakage of the detection unit due to stress concentration can be avoided. Therefore, the performance of the liquid level sensor can be maintained even when used under severe conditions.
  • connection terminal by increasing the rigidity of one side of the connection terminal and having a sufficiently flexible structure on the other side, it is possible to achieve both reliable holding of the detection unit and dispersion / relaxation of stress applied thereto.
  • FIG. AA An overhead view of the capacitive liquid level sensor of the present invention
  • FIG. AA An overhead view of the liquid level sensor in FIG. AA sectional view of FIG.
  • the fragmentary sectional view which shows other embodiment in the liquid level sensor of this invention The fragmentary sectional view which shows other embodiment in the liquid level sensor of this invention Overhead view of conventional liquid level sensor
  • the capacitance type liquid level sensor 1 of the present invention is composed of a metal hermetic terminal 2 for mounting on a hermetic electric compressor or the like and a detection unit 3 which is a liquid level detection unit.
  • the hermetic terminal 2 includes a cup-shaped metal substrate 4 and conductive pins 6 that pass through the metal substrate and are insulated and fixed by an electrically insulating filler 5 such as glass.
  • the detection unit 3 is composed of two metallic liquid level detection electrode plates 7 facing each other in parallel and electrically insulating spacers 8 fixed to both ends of the electrode plate.
  • the spacer 8 is previously provided with a hole 8A into which the end of the electrode plate 7 is inserted, and the tip ends of the two electrode plates 7 are inserted and fixed.
  • the detection unit 3 is connected and fixed to the conductive pin 6 of the airtight terminal 2 via the connection terminal 9 by welding.
  • the connection terminal 9 has a substantially L-shaped cross-sectional shape obtained by bending a metal plate at a bent portion 9A, and is fixed to the electrode plate 7 by welding or the like before constituting the detection unit as described above. Since the connection terminal 9 is welded to the conductive pin 6 in parallel with the electrode plate 7, the welding operation is facilitated without the electrode plate or the conductive pin interfering with the welding electrode. Since the connection terminal 9 is thinner than the electrode plate 7 and bends elastically, the connection terminal 9 is deformed before the electrode is deformed due to misalignment occurring during welding or stress applied to the detection unit during normal handling or use.
  • the bent portion 29A of the connection terminal 29 is largely detoured so that the length of the connection terminal is longer than the actual distance between the fixed portions. Therefore, the stress applied to the terminal is not concentrated on a part of the connection terminal but is widely dispersed.
  • connection terminal 39A has a highly rigid structure with a thick plate.
  • connection terminal 39B has a structure that is thinner and more elastic as it largely bypasses the bent portion 39B1 and extends its entire length, as in the previous embodiment. Therefore, while the connection terminal 39A firmly fixes the detection unit 3 to the lead terminal 6, the connection terminal 39B can elastically absorb strain and dimensional changes that occur during welding.
  • a metal plate processed as the connection terminal 39B is shown.
  • a structure using plastic deformation by a more flexible conductive wire or the like may be used.
  • the detection unit unit is shown in which the end portion of the electrode plate is inserted and fixed into an electrically insulating spacer, but the positional relationship of the electrodes is not shifted when the detection unit is fixed or handled. As long as it can be handled in this way, it is not necessarily the tip. For example, a structure in which the tip of the electrode plate protrudes through the spacer may be used.

Abstract

気密端子２に設けられた導電ピン６に液面検出用の電極板７が設けられた静電容量式液面センサー１において、気密端子上に取付けられる液面検出部は二枚の電極板７とその電極の位置関係を固定する電気絶縁性のスペーサー８からなる検出部ユニット３として構成し、前記検出部ユニットを気密端子の導電ピンに対して接続固定する少なくとも一つの接続端子９を前記電極が変形を起こすよりも弱い力で変形可能とした。検出部ユニットに対してかかる応力が、接続端子の変形によって分散・緩和されるため、検出部である電極の変形を防止することができる。

Description

静電容量式液面センサー
　本発明は、液体の量を検出する静電容量式液面センサーに関するものであり、特に電動圧縮機などに取付けるための気密端子を一体に有するものに好適な構成を提案するものである。
　従来から液体の量を検出する方法はいくつもあるが、中でもオイル等の非導電性液体の量を検出する手段としては静電容量式のセンサーが提案されている。このセンサーは空間を挟んだ電極間に電気絶縁性の液体が入り込むことによって電極間の静電容量が変化することを利用して、液体の有無やその量を検出するものである。例えば電極を筒状の電気絶縁性筐体に配置、または一方の電極を筒状に構成し、この筒状部内に液体が出入りすることで変化する電極間の静電容量から容器内の液体の量を測定するものがある。
特開平１１‐３１１５６１号公報 特開平０７‐２６０５４９号公報
　静電容量式の液面センサーにおいては上記の先行技術文献に示すように液体の連続的な量の変動をリアルタイムで検出できるようにされているものもあるが、精密に測ろうとするほどに静電容量の微妙な変化を検出するための判定が難しくなり、また静電容量は液体の種類やセンサーが取り付けられる容器の種類や大きさなどによっても変化するためいわゆる現物合わせが必要となることもある。
　一方で液体の連続的な量ではなく、液体の有無の検出のみに使い方を限定することで構成を簡易化した液面センサーとして例えば図６から図８に示すようなものが提案されている。この液面センサー１０１においては基板１０２に固定された２本の導電ピン１０４の先端には、各々金属製の電極板１０５が溶接によって固定され互いにほぼ平行に向かい合うように配置されている。
　この液面センサーは構造がシンプルである一方で、電極と導電ピンとの溶接によるわずかな傾きにより電極間の距離が変化してしまうため、感度をそろえるためには溶接時に発生する傾きなどを取り除くために電極間距離の調整作業が不可欠となる。特に静電容量を得るため面積を増やすように電極を長くするほどに、溶接部のわずかな傾きが電極間距離に大きな影響を及ぼしてしまう。さらに片持ち固定された電極がむき出しになっているため、組付時などに力がかかると電極を変形させる可能性がある。また変形を防ぐために電極を厚くするなどして強度を上げた場合には、比較的弱い溶接部などに応力が集中するため電極の位置関係を変化させる可能性がある。そのため慎重な取扱いが必要とされる。
　さらに製造時に正しい位置関係に調整しても、例えば電動圧縮機などに取付けられた場合には内部の圧力が上昇することによって基板が膨張して導電ピンの角度がわずかに変化することで、導電ピン先端に取付けられた電極板間の距離がより大きく変化する。そのため電極冠の静電容量が変化してしまい、液面センサーとしての性能が低下してしまうと言う問題がある。
　また２枚の電極が導電ピンを結ぶ同一直線状で溶接されるため、一方の溶接電極は導電ピン間に挿入する必要がある。さらに２枚目の電極の溶接時には先に固定された電極が溶接作業の邪魔にもなる。またセンサーを小型化するほどに電極間の間隔が狭くなるため電極も細く薄くなり、溶接時にかける電極間の圧力が充分に得られないと言う問題がある。
　そのためシンプルな構成であるとともに製造や取り扱いが容易な静電容量式液面センサーが求められている。
　そこで本発明の静電容量式液面センサーにおいては、気密端子上に取付けられる液面検出部をあらかじめ２枚の電極とスペーサーによる検出部ユニットとして構成しておくことで電極間の距離を一定に保つことを容易にし、この検出部ユニットを導電ピンに対して接続固定する少なくとも一つの接続端子を前記電極が変形を起こすよりも弱い力で変形可能としたことで、検出部ユニットの電極に掛かる応力を分散・緩和する。さらに検出部ユニットは電動圧縮機用の気密端子に接続固定されているので、取扱いとともに密閉形電動圧縮機への取付け作業が容易になる。
　また接続端子を電極よりも薄い金属板で構成したり、屈曲部を大きく迂回させることで固着部間の実際の距離よりも接続端子の長さを長くとることによって、前記電極が変形を起こすよりも弱い力で変形可能とし、検出部ユニットにかかる応力を接続端子全体に広く分散させることができる。
　また、２個の接続端子の一方の剛性を高くするとともに、他方の接続端子を柔軟な構造とすることによって、密閉ガラス端子への強固な固定と応力の分散の両立をより容易に行うことができる。
　本発明の液面センサーによれば液面検出部としてあらかじめ電極間の位置関係を固定した検出部ユニットを構成しておくことにより、電極間の位置関係の調整作業が容易になる。さらに検出部ユニットを固定する接続端子を前記電極が変形を起こすよりも弱い力で変形可能な充分に弾性を有する構造としたことで、検出部ユニットの固定時に部品の組み付け誤差などによって発生する応力や気密端子の変形によって生ずる力の大半を接続端子によって分散・緩和することができ、応力集中による検出部ユニットの変形や破断を避けることができる。そのため厳しい条件化での使用においても液面センサーの性能を保つことができる。
　また接続端子の一方の剛性を高め、他方を充分に柔軟な構造としたことで、検出部ユニットの確実な保持とそこにかかる応力の分散・緩和を両立することができる。
本発明の静電容量式液面センサーの俯瞰図 図１の液面センサーの断面図 図２のＡ‐Ａ断面図 本発明の液面センサーにおける他の実施形態を示す部分断面図 本発明の液面センサーにおける他の実施形態を示す部分断面図 従来の液面センサーの俯瞰図 図６の液面センサーの断面図 図６の液面センサーの正面図
　本発明の静電容量式液面センサー１は、密閉形電動圧縮機などに取付けるための金属製気密端子２と液面検出部である検出部ユニット３により構成されている。気密端子２は、カップ状の金属基板４と、この金属基板を貫通してガラスなどの電気絶縁性充填材５によって絶縁固定された導電ピン６とからなる。
　また検出部ユニット３は互いに平行に相対する２枚の金属製の液面検出用電極板７と、この電極板の両端部に固定された電気絶縁製のスペーサー８によって構成されている。スペーサー８には電極板７の端部が挿入される孔８Ａがあらかじめ設けられており、２枚の電極板７の先端部が差し込み固定される。こうしてスペーサーとともに検出部ユニットを構成することにより、２枚の電極板の位置関係が固定される。電極板７は通常の使用において容易にしならない程度の強度を持つ厚さとされることにより、検出部ユニットの構成する箱型形状と２枚の電極板間の位置関係は確実に維持される。それぞれの電極板７には、あらかじめ接続端子９が溶接固定されている。
　検出部ユニット３は前記接続端子９を介して気密端子２の導電ピン６に溶接によって接続固定される。接続端子９は金属板を屈曲部９Ａで曲げた概ねＬ字の断面形状をしており、前述のように検出部ユニットを構成する前に電極板７に溶接などの方法で固定されている。この接続端子９の導電ピン６への溶接は電極板７に対して平行に行われるため、溶接電極に電極板や導電ピンが干渉することなく溶接作業も容易になる。この接続端子９は電極板７よりも薄く弾力的に曲がる構造とされているため、溶接時に発生する位置ずれや検出部ユニットに通常の取扱いや使用においてかかる応力で電極が変形する前に接続端子が変形することで、電極の変形とそれに伴う電極間の静電容量の変化を抑えることができる。そのため密閉形電動圧縮機に取付けられた場合に、容器の圧力が上昇して金属製気密端子２の膨張の影響で導電ピンの位置関係が僅かにずれたとしても、電極間の距離に実質的な影響を及ぼすこと無く安定した基準値を得ることができる。
　図４に示す液面センサー２１においては、接続端子２９の屈曲部２９Ａを大きく迂回させて固着部間の実際の距離よりも接続端子の長さを長くしたことで、接続端子全体が力に対してしなりやすくなるので端子にかかる応力が接続端子上の一部に集中せず広く分散されるようになる。
　２枚の接続端子をそれぞれ強度と弾性を両立させた構造とした上で、２枚を合わせることで適正な検出部ユニットの保持力を得るには高い技術力が必要とされる。そこで図５に示す液面センサー３１においては、一方の接続端子３９Ａは板厚を厚くした剛性の高い構造とされている。さらに、他方の接続端子３９Ｂは前述の実施例と同様に屈曲部３９Ｂ１を大きく迂回させて全長を伸ばすとともに、より薄く弾力のある構造とされている。そのため、接続端子３９Ａがリード端子６に対して検出部ユニット３を強固に固定する一方で、接続端子３９Ｂは溶接時に発生するひずみや寸法変化を弾性的に吸収することができる。本実施例では接続端子３９Ｂとして金属板を加工したものを示したが、例えばより柔軟な導線などによる塑性変形を利用する構造としてもよい。
　また、前述の各実施例においては検出部ユニットとして電極板の端部を電気絶縁性のスペーサーに差し込み固定するものを示したが、検出部ユニットの固定時や取り扱い時に電極の位置関係がずれないように扱うことができるのであれば、必ずしも先端部でなくてもよい。例えば、電極板の先端がスペーサーを貫通して突き出す構造であってもよい。

Claims (4)

  1. 　金属板とそこに貫通され気密に絶縁固定された導電ピンにより気密端子が構成され、
    　その気密端子上に静電容量による液面検出用の電極が設けられた静電容量式液面センサーにおいて、
    　気密端子上に取付けられる液面検出部は二枚の電極とその電極の位置関係を固定する電気絶縁性のスペーサーからなる検出部ユニットとして構成し、
    　前記検出部ユニットを二つの導電ピンに対して接続固定する少なくとも一つの接続端子を前記電極が変形を起こすよりも弱い力で変形可能としたことを特徴とする静電容量式液面センサー。
  2. 　前記接続端子は電極よりも薄い金属板で構成されたことにより変形可能としたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式液面センサー。
  3. 　前記接続端子は屈曲部を大きく迂回させて固着部間の実際の距離よりも接続端子の長さを長くとることによって変形可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式液面センサー。
  4. 　一方の接続端子は検出部ユニットを充分に保持できるように剛性を高め、
    他方の接続端子は充分に柔軟で変形可能としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の静電容量式液面センサー。
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