JP2005181165A - Liquid level sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液面レベルを測定する液面レベルセンサに関する。 The present invention relates to a liquid level sensor that measures a liquid level.
液体を収容する容器には、液面レベルを測定する液面レベルセンサを備えるものがある。液面レベルセンサとしては、例えば、フロート式のセンサや、超音波を用いたセンサ、静電容量式のセンサなどが知られている。
ここで、容器が、例えば、高さ20mm、直径20mmのように小型である場合には、フロート式のセンサでは、フロートを小さくせざるを得ないので、フロート自体の浮力が小さくなりすぎる。このため、可変抵抗器や、光学素子、磁気素子など、フロートに連動する位置検出素子を支えきれないという問題を有する。また、小型の容器では、容積が小さいために、液面レベルの絶対値が小さくなり、例えば、高さ方向でプラスマイナス0.5mm程度といった高い測定精度が要求されるようになる。このような特殊性を有する小型な容器に、超音波を用いたセンサを適用すると、超音波を送受信する距離を十分に確保できないので、測定精度が低くなってしまい、液面レベルを精度良く測定することができない。
Some containers that contain liquid include a liquid level sensor that measures the liquid level. As the liquid level sensor, for example, a float type sensor, a sensor using ultrasonic waves, a capacitance type sensor, and the like are known.
Here, when the container is small, for example, a height of 20 mm and a diameter of 20 mm, the float sensor has to reduce the float, so that the buoyancy of the float itself becomes too small. For this reason, there exists a problem that the position detection element linked with a float, such as a variable resistor, an optical element, and a magnetic element, cannot be supported. In addition, since the volume of the small container is small, the absolute value of the liquid level becomes small, and for example, high measurement accuracy of about plus or minus 0.5 mm in the height direction is required. If a sensor using ultrasonic waves is applied to a small container with such special characteristics, the distance for transmitting and receiving ultrasonic waves cannot be secured sufficiently, resulting in low measurement accuracy and accurate measurement of the liquid level. Can not do it.
これに対して、静電容量式のセンサは、フロート式のセンサよりも小型にすることができ、超音波を用いたセンサよりも高精度に液面レベルを測定することができる。
静電容量式のセンサは、一部が液体内に浸漬される一対の測定用電極を、容器の鉛直方向に沿って配置した構成を有している。ここで、液体中の誘電率は、空気中の誘電率よりも大きいので、一対の測定用電極のうち、液体に浸漬されている部分の静電容量は大きくなる。したがって、液面レベルが高いほど、静電容量が大きくなるので、一組の測定用電極に交流信号を与えて、その静電容量を測定すれば、液面レベルを測定することができる。ここで、従来の液面レベルセンサでは、複数の電極を用いて容器の傾斜を測定できるものがある。具体的な構成としては、断面が四角い長尺筒からなる基板を有し、この基板の各面に、3本の測定用電極と、1本の補正用電極とを設けたものがある。そして、各測定用電極から出力される信号に差があるときは、この差から容器の傾斜角度が算出される(例えば、特許文献1参照)。また、複数の測定用電極からの信号を処理する手法としては、マルチプレクサを用いて、信号を順次選択する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。
The capacitance type sensor has a configuration in which a pair of measurement electrodes partially immersed in a liquid is arranged along the vertical direction of the container. Here, since the dielectric constant in the liquid is larger than the dielectric constant in the air, the capacitance of the portion immersed in the liquid of the pair of measurement electrodes is increased. Therefore, the higher the liquid level, the larger the capacitance. Therefore, the liquid level can be measured by applying an AC signal to a set of measurement electrodes and measuring the capacitance. Here, some conventional liquid level sensors can measure the inclination of a container using a plurality of electrodes. As a specific configuration, there is a substrate having a long cylinder with a square cross section, and three measurement electrodes and one correction electrode provided on each surface of the substrate. And when there is a difference in the signal output from each measurement electrode, the tilt angle of the container is calculated from this difference (see, for example, Patent Document 1). As a technique for processing signals from a plurality of measurement electrodes, a method of sequentially selecting signals using a multiplexer is known (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、1つの基板の各面に測定用電極を設けると、電極間の距離が近いので、容器の傾斜に伴う静電容量の差も小さくなり、測定誤差が発生しやすかった。さらに、複数の測定用電極が近接するので、各測定用電極の間で静電的な結合が生じ、そして、長尺筒形状を有する基板は、小型化が難しく、その各面に電極を精度良く配置することは難しい。
また、信号処理にマルチプレクサを用いると、複数の測定用電極からの信号を同時に検出することができない。このため、容器の傾斜角度が頻繁に変化する場合には、液面レベルを正しく検出することができない。
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液面レベルを精度良く測定することができる液面レベルセンサを提供することである。
However, when the electrodes for measurement are provided on each surface of one substrate, the distance between the electrodes is short, so that the difference in capacitance due to the inclination of the container is small, and measurement errors are likely to occur. Furthermore, since a plurality of measurement electrodes are close to each other, electrostatic coupling occurs between the measurement electrodes, and the substrate having a long cylindrical shape is difficult to miniaturize, and the electrodes are accurately placed on each surface. It is difficult to place well.
If a multiplexer is used for signal processing, signals from a plurality of measurement electrodes cannot be detected simultaneously. For this reason, when the inclination angle of the container changes frequently, the liquid level cannot be detected correctly.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a liquid level sensor capable of measuring the liquid level with high accuracy.
本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の液面レベルセンサは、容器に配置される複数の電極を備え、前記電極間の電気特性の変化に基づいて前記容器内の液面レベルを検出するセンサ部を、前記容器の高さ方向に平行な第一の面に沿って複数並置したことを特徴とする。
この液面レベルセンサは、容器の面に沿って2つ以上のセンサ部を配置したので、センサ部同士の距離を大きくとることができる。このため、1つのセンサ部において電気特性を測定する電極と、他のセンサ部において電気特性を測定する電極とが離れるので、電極間の静電的な結合が防止される。さらに、容器が傾斜したときの電気特性の変化量が大きくなる。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
The liquid level sensor of the present invention includes a plurality of electrodes arranged in a container, and a sensor unit that detects a liquid level in the container based on a change in electrical characteristics between the electrodes is provided at a height of the container. It is characterized by being juxtaposed along a first surface parallel to the direction.
Since the liquid level sensor has two or more sensor units arranged along the surface of the container, the distance between the sensor units can be increased. For this reason, since the electrode which measures an electrical characteristic in one sensor part and the electrode which measures an electrical characteristic in another sensor part are separated, electrostatic coupling between the electrodes is prevented. Furthermore, the amount of change in electrical characteristics when the container is tilted increases.
上記の液面レベルセンサにおいては、並置される前記センサ部間にシールド部を設けることが好ましい。
この液面レベルセンサは、並置されるセンサ部とセンサ部との間にシールド部が配置されるので、異なるセンサ部に属する電極間の静電的な結合が確実に防止される。
In said liquid level sensor, it is preferable to provide a shield part between the said sensor parts arranged side by side.
In this liquid level sensor, since the shield part is disposed between the sensor parts arranged side by side, electrostatic coupling between electrodes belonging to different sensor parts is reliably prevented.
上記の液面レベルセンサにおいては、複数の前記センサ部は、絶縁フィルムにより一体的に形成されていることが好ましい。
この液面レベルセンサは、複数のセンサ部が絶縁フィルムにより一体的に形成されるので、製造が容易になる。また、容器に容易に固定できるようになる。さらに、各センサ部の間の距離を一定に保ちやすくなる。
In the liquid level sensor, it is preferable that the plurality of sensor portions are integrally formed of an insulating film.
This liquid level sensor is easily manufactured because a plurality of sensor portions are integrally formed of an insulating film. In addition, it can be easily fixed to the container. Furthermore, it becomes easy to keep the distance between each sensor part constant.
上記の液面レベルセンサにおいては、前記容器の前記第一の面に直交する第二の面に、少なくとも1つのセンサ部を配置することが好ましい。
この液面レベルセンサは、複数のセンサ部を、直行する2つの面に振り分けて配置したので、液面レベルの測定と、容器の2つの軸方向の傾きの測定とが可能になる。
In the liquid level sensor described above, it is preferable that at least one sensor unit is disposed on a second surface orthogonal to the first surface of the container.
In this liquid level sensor, since a plurality of sensor units are arranged in two orthogonal planes, it is possible to measure the liquid level and to measure the two axial inclinations of the container.
上記の液面レベルセンサにおいては、前記第一の面と前記第二の面とのそれぞれに配置された複数の前記センサ部は、絶縁フィルムにより一体的に形成されており、前記絶縁フィルムは、前記第一の面及び前記第二の面に沿うように折り曲げることが好ましい。
この液面レベルセンサは、複数のセンサ部が絶縁フィルムにより一体的に形成されているので、製造が容易になる。また、容器に容易に固定できるようになる。さらに、各センサ部の間の距離を一定に保ちやすくなる。
In the liquid level sensor, the plurality of sensor portions arranged on each of the first surface and the second surface are integrally formed of an insulating film, and the insulating film is It is preferable to bend along the first surface and the second surface.
This liquid level sensor is easily manufactured because a plurality of sensor portions are integrally formed of an insulating film. In addition, it can be easily fixed to the container. Furthermore, it becomes easy to keep the distance between each sensor part constant.
また、本発明の液面レベルセンサは、容器に配置される複数の電極を備え、前記電極間の電気特性の変化に基づいて前記容器内の液面レベルを検出するセンサ部を少なくとも2つ有し、前記センサ部を前記容器の高さ方向に直交する2つの軸線のそれぞれに沿って配置したことを特徴とする。
この液面レベルセンサは、複数のセンサ部を、2つの軸線のそれぞれに沿うように配置したので、センサ部同士の距離を大きくとることができる。さらに、液面レベルの測定と、容器の2つの軸方向の傾きの測定とが可能になる。特に、容器が傾斜したときの電気特性の変化量が大きくなる。
The liquid level sensor according to the present invention includes a plurality of electrodes arranged in a container, and has at least two sensor units for detecting a liquid level in the container based on a change in electrical characteristics between the electrodes. And the said sensor part is arrange | positioned along each of the two axis lines orthogonal to the height direction of the said container, It is characterized by the above-mentioned.
Since this liquid level sensor has arranged a plurality of sensor parts along each of two axes, the distance between sensor parts can be taken large. Furthermore, it is possible to measure the liquid level and to measure the inclination of the container in the two axial directions. In particular, the amount of change in electrical characteristics when the container is inclined increases.
さらに、本発明の液面レベルセンサは、容器に配置される複数の電極を備え、前記電極間の電気特性の変化に基づいて前記容器内の液面レベルを検出するセンサ部を3つ有し、前記センサ部を前記容器の高さ方向に直交する断面視で三角配置になるように配置することを特徴とする。
この液面レベルセンサは、センサ部が断面視で三角配置になっているので、センサ部同士の距離を大きくとることができる。さらに、容器の傾斜角度を精度良く測定できる。特に、容器が複雑な形状を有する場合や、断面円形の場合でも傾斜角度を測定できる。
Furthermore, the liquid level sensor according to the present invention includes a plurality of electrodes arranged in a container, and includes three sensor units that detect a liquid level in the container based on a change in electrical characteristics between the electrodes. The sensor unit is arranged in a triangular arrangement in a cross-sectional view orthogonal to the height direction of the container.
In this liquid level sensor, since the sensor parts are arranged in a triangular shape in a cross-sectional view, the distance between the sensor parts can be increased. Furthermore, the inclination angle of the container can be measured with high accuracy. In particular, the inclination angle can be measured even when the container has a complicated shape or has a circular cross section.
この発明によれば、液面レベルの変化を測定する電極を備えるセンサ部を、容器の第一の面に所定の距離を置いて配置したので、他のセンサ部の電極との間の静電的な結合を防止できる。したがって、容器の液面レベル及び傾斜角度を精度良く測定できる。さらに、電極を備えるセンサ部同士の間にシールドを設けると、異なるセンサ部間の静電的な結合を効果的に防止できるので、測定精度が向上する。また、複数のセンサ部を一体的に構成すると、製造や取り扱いが容易になる。 According to the present invention, since the sensor unit including the electrode for measuring the change in the liquid level is arranged at a predetermined distance on the first surface of the container, the electrostatic capacitance between the electrodes of the other sensor units is arranged. Can be prevented. Therefore, the liquid level and inclination angle of the container can be measured with high accuracy. Furthermore, if a shield is provided between the sensor units having electrodes, electrostatic coupling between different sensor units can be effectively prevented, so that measurement accuracy is improved. In addition, when a plurality of sensor units are integrally formed, manufacturing and handling are facilitated.
発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1に示すように、第1の実施の形態における液面レベルセンサは、容器1内に配置される3つのセンサ部2,3,4と、各センサ部2,3,4に電気的に接続される測定回路6とを有している。
The best mode for carrying out the invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the liquid level sensor in the first embodiment is electrically connected to the three
3つのセンサ部2,3,4は、容器の高さ方向の軸線C1と略平行に、容器1の内壁に取り付けられている。センサ部2とセンサ部3とは、軸線C1と略直交する軸線C2に沿う第一の面1aに、所定の距離を置いて配置されている。より詳細には、センサ部2は、第一の面1aの一方の側縁部に配置され、センサ部3は、第一の面1aの他方の側縁部に配置されている。センサ部4は、軸線C1及び軸線C2のそれぞれに直交する軸線C3に沿う第二の面1bに配置されている。センサ部4は、第二の面1bにおいて、第一の面1aに接する側縁部とは反対側の側縁部に配置されている。このセンサ部4は、センサ部2や、センサ部3からそれぞれ所定の距離を置いた位置に設けられている。言い換えると、各センサ部2,3,4は、軸線C1に直交する断面視で、三角配置されている。
The three
次に、各センサ部2,3,4の構成について説明する。なお、各センサ部2,3,4の構成は同じであるので、以下にはセンサ部2のみを例にとって説明する。
図2及び図3に示すように、センサ部2は、細長のフィルム形状を有し、長手方向の一方の基端2a側が測定回路6に接続され、先端2bが容器1の底面近傍に位置するように固定される。さらに、基端2aから先端2bに向かう間で、センサ部2は、その幅が広がっている。この拡幅部分21から先が、液体内に浸漬されることが望ましい。
このセンサ部2は、カバーフィルム7と、第一絶縁フィルム8と、第二絶縁フィルム9と、カバーフィルム10とを、この順番に積層させてある。各フィルム7,8,9,10は、ポリエチレンテレフタレート(PET)や、ポリエステル、ナイロン、液晶ポリマなど、吸水率の低い絶縁部材で製造されている。
Next, the structure of each
As shown in FIGS. 2 and 3, the
In the
一側の最外層にあたるカバーフィルム7上には、カバーフィルム7の半分ほどの幅を有するシールド層11がシート状に設けられている。第一絶縁フィルム8は、カバーフィルム7と共にシールド層11を挟むようにカバーフィルム7上に密着されている。この第一絶縁フィルム8には、各々線状の測定電極12と、駆動電極(測定信号供給電極)13と、第一シールド電極14と、参照電極15と、第二シールド電極16とが、第一絶縁フィルム8の長手方向に沿って、各々離間して略並列に配設されている。第二絶縁フィルム9は、第一絶縁フィルム8と共に各電極12,13,14,15,16を挟むように、第一絶縁フィルム8上に密着されている。この第二絶縁フィルム9上には、第二絶縁フィルム9の半分ほどの幅を有するシールド層17がシート状に設けられている。そして、カバーフィルム10は、第二絶縁フィルム9と共にシールド層17を挟むように、第二絶縁フィルム9上に密着する。
なお、図2に示すように、第二絶縁フィルム9及びカバーフィルム10は、センサ部2の基端2a側がカバーフィルム7及び第一絶縁フィルム8よりも短くなっており、センサ部2の上部に相当する基端2a側は、各電極12,13,14,15,16が、各々所定の長さで露出している。
On the
As shown in FIG. 2, the second
図2及び図3に示すように、駆動電極13は、所定の線幅及び厚さで第一絶縁フィルム8の面18上に、基端から先端の近傍まで設けられている。この駆動電極13の上端は、センサ部2の基端2a側において測定回路6(図1参照)に接続されており、所定の駆動用の交流信号が入力される。また、駆動電極13の下端(先端)13aは、第一絶縁フィルム8の先端8aよりも、所定の距離r1だけ上方に位置している。
測定電極12は、面18上において、駆動電極13から所定距離をおいた位置に設けられている。測定電極12の線幅及び厚さは、駆動電極13と同じである。測定電極12の上端は、センサ部2の基端2a側において測定回路6に接続される。また、測定電極12の下端(先端)12aは、第一絶縁フィルム8の先端8aよりも、所定の距離r1だけ上方に位置している。
この測定電極12と駆動電極13とは、容量素子を形成する。その静電容量は、測定電極12及び駆動電極13の表面積と、電極間距離と、誘電率とで定まる。誘電率は、空気の誘電率に対して液体の誘電率が十分に大きい。したがって、測定電極12及び駆動電極13との間の静電容量は、液面に浸漬している表面積、つまり測定電極12及び駆動電極13の下端から、後述する液面レベルまでの長さに略比例する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
The
The
また、第一シールド電極14は、面18上において、駆動電極13に対して測定電極12と略対称な位置に設けられている。つまり、駆動電極13から測定電極12までの距離と、駆動電極13から第一シールド電極14までの距離は、略同一である。第一シールド電極14の上端は、接地接続される。また、第一シールド電極14の下端(先端)14aは、第一絶縁フィルム8の先端8aよりも、所定の距離r2だけ上方に位置している。なお、距離r2は、距離r1よりも大きい。
参照電極15は、面18上において、駆動電極13から、さらに離間した位置に配置されている。参照電極15の幅及び厚さは、駆動電極13と等しい。参照電極15の上端は、センサ部2の基端2a側において測定回路6に接続される。また、参照電極15の下端(先端)15aは、第一絶縁フィルム8の先端8aよりも、所定距離r1だけ上方に位置している。
第二シールド電極16は、面18上において、第一シールド電極14と共に参照電極15を挟むように配置されている。つまり、参照電極15から第二シールド電極16までの距離は、参照電極15から第一シールド電極14までの距離の略等しい。第二シールド電極16の上端は、接地接続される。また、第二シールド電極16の下端(先端)16aは、第一絶縁フィルム8の先端8aよりも、所定の距離r2だけ上方に位置している。
Further, the
The
The
さらに、シールド層11は、各シールド電極14,16及びシールド層17に重なる位置に設けられている。具体的には、シールド層11の幅は、各シールド電極14,16の電極間距離に、各シールド電極14,16の幅を加えた値に略等しい。また、シールド層11の下端(先端)は、各シールド電極14,16と同様に、第一絶縁フィルム8及び第二絶縁フィルム9の先端よりも、所定の距離r2だけ上方に位置する。ここで、シールド層11は、導電性材料からなる。そして、第一絶縁フィルム8に形成された導電スルーホール部20を介して、第二シールド電極16と電気的に接続されている。なお、導電スルーホール部20は、例えば、第一絶縁フィルム8に形成したスルーホールに導電性材料をメッキして形成する。
Further, the
シールド層17は、導電性材料からなり、シールド層11と同じ形状を有している。また、シールド層17は、第二絶縁フィルム9が第一絶縁フィルム8の面18と密着する面と反対側の面19に形成されている。シールド層17の下端(先端)は、各シールド電極14,16及びシールド層11と同じ位置にある。さらに、このシールド層17は、第二絶縁フィルム9に形成された導電スルーホール部23を介して、第一シールド電極14と電気的に接続されている。
シールド層11とシールド層17とは、第一絶縁フィルム8及び第二絶縁フィルム9を介して、参照電極15及各シールド電極14,16を挟む位置に設けられている。したがって、一対のシールド電極14,16と一対のシールド層11,17は、参照電極15を囲むように配置され、かつ電気的に接続される。各シールド電極14,16は、前記のように接地接続されるので、一対のシールド電極14,16と一対のシールド層11,17は、参照電極15の電磁的なシールドとなる。
The
The
そして、参照電極15の下端15a近傍で、シールドから突出する部分が、参照用測定部25となり、シールドされている部分が信号導通部26とされる。参照用測定部25は、駆動電極13と、容量素子を形成する。その静電容量は、参照用測定部25及び駆動電極13の表面積と、電極間距離と、誘電率とで定まる。参照用測定部25の長さは、所定の距離r2から所定の距離r1を引いた長さであり、このときの静電容量(誘電率)の値が、液面レベルを測定する際の参照値になる。そして、信号導通部26は、その上端が測定回路6に接続され、参照用測定部25で発生する所定の信号を測定回路6に入力する役割を担う。
A portion protruding from the shield in the vicinity of the
なお、各電極12,13,14,15,16と、各シールド層11,17とは、所定の厚さの導電性材料を貼り付けられた各フィルム7,8,9において、導電材料を部分的にエッチングして形成されている。また、センサ部2の拡幅部分21では、各電極12,13,14,15,16の配置間隔も、第一シールド電極14を中心にして長くなっている。
In addition, each
図1に示すように、測定回路6は、センサ部2に接続される第一測定回路27と、センサ部3に接続される第二測定回路28と、センサ部4に接続される第三測定回路29とを有する。なお、各測定回路27,28,29は、同じ回路構成を有するので、第一測定回路27の構成のみを以下に説明する。
As shown in FIG. 1, the
図4に示すように、第一測定回路27は、例えば、方形の交流信号を生成する発振回路31を有している。この発振回路31は、3つのインバータ32,33,34からなる直列回路と、この直列回路の入力端及び出力端に接続された抵抗35と、インバータ32の入力端及びインバータ33の出力端に接続されたコンデンサ36とを有している。そして、直列回路の出力端は、センサ部2の駆動電極13に接続されている。
また、第一測定回路27は、測定電極12に一端が接続された抵抗37及びアナログスイッチ38を有している。さらに、第一測定回路27は、参照電極15に一端が接続された抵抗39及びアナログスイッチ40を有している。抵抗37,39のそれぞれの他端は、接地接続されている。各アナログスイッチ38,40は、ローパスフィルタ41に接続されている。また、各アナログスイッチ38,40のコントロール端子は、発振回路31に接続されており、発振回路31の出力波形に応じて、スイッチのON又はOFFが切り替えられる。
As shown in FIG. 4, the
The
ローパスフィルタ41は、アナログスイッチ38に一端が接続されたコンデンサ42と、抵抗43とを有し、抵抗43の他端にはコンデンサ44と、抵抗45と、コンデンサ46とが接続されている。さらに、ローパスフィルタ41は、アナログスイッチ40に一端が接続されたコンデンサ47と、抵抗48とを有し、抵抗48の他端にはコンデンサ49と、抵抗50と、コンデンサ46とが接続されている。そして、このローパスフィルタ41の出力は、差動増幅回路51に接続されている。なお、コンデンサ42及びコンデンサ47、コンデンサ44及びコンデンサ49、抵抗45及び抵抗50は、それぞれの他端が接地接続されている。コンデンサ46は、抵抗43と抵抗48のそれぞれの他端に介装されている。
The low-
差動増幅回路51は、主に、3つのオペアンプ52,53,54から構成されている。オペアンプ52の非反転入力端子には、ローパスフィルタ41の測定電極12側の出力が接続される。このオペアンプ52の出力端子と反転入力端子とは、抵抗55を介して接続されており、負帰還ループが形成されている。さらに、オペアンプ52の出力端子は、抵抗56を介してオペアンプ54の反転入力端子に接続されている。また、オペアンプ52の反転入力端子は、抵抗57及び可変抵抗58を介して、オペアンプ53の反転入力端子に接続されている。
オペアンプ53の非反転入力端子には、ローパスフィルタ41の参照電極15側の出力が接続される。このオペアンプ53の出力端子と反転入力端子との間には、抵抗59が介装されている。さらに、オペアンプ53の出力端子は、抵抗60と抵抗61のそれぞれに接続されている。抵抗60の他端は接地接続されており、抵抗61はオペアンプ54の非反転入力端子に接続されている。
The
An output on the
オペアンプ54の出力端子には、抵抗62の一端が接続されている。この抵抗62は、他の制御回路に接続されており、ここから基準位置h0から液面までの距離(液面レベル)に応じた信号が出力される。なお、この抵抗62の他端とオペアンプ54の反転入力端子との間には、抵抗63とコンデンサ64とが並列に接続されている。
One end of a
次に、この液面レベルセンサの動作について説明する。なお、容器1には、少なくとも、図2に示すように距離r2に等しい高さ(基準位置h0)まで液体が入っているものとする。
図4に示すように、第一測定回路27の発振回路31は、駆動用の交流信号を生成する。この交流信号は、駆動電極13に入力され、空気及び液体を媒体として、測定電極12、参照電極15の参照用測定部25及びシールドに伝播する。測定電極12には、信号の伝播により、液体の誘電率に基づく静電容量、つまり液面レベルに応じた受信信号が発生する。この受信信号が、第一測定回路27のアナログスイッチ38に入力される。また、参照用測定部25(図2参照)には、信号の伝播により、液体の誘電率に基づく静電容量に応じた受信信号が発生する。この受信信号は、第一測定回路27のアナログスイッチ40に入力される。なお、シールドは、アースされているので、受信信号は発生しない。
Next, the operation of this liquid level sensor will be described. The
As shown in FIG. 4, the
各アナログスイッチ38,40は、発振回路31の駆動交流に応じて、スイッチの断続を切り替えるので、測定電極12の受信電圧と、参照電極15の受信電圧とが同期検波される。各アナログスイッチ38,40で同期検波された各受信電圧は、ローパスフィルタ41に入力され、余分な交流成分が取り除かれ、直流成分が取り出される。さらに、差動増幅回路51に入力され、増幅された後に、測定電極12の受信電圧から、参照値となる参照電極15の受信電圧を減じた差に比例した信号が出力される。
Since the analog switches 38 and 40 switch the switching of the switches according to the drive AC of the
ここで、測定電極12と駆動電極13の液体に浸漬している部分との間の誘電率と、測定電極12と参照電極15の参照用測定部25との間の誘電率とは、同じ値である。したがって、容器1内の液体の量が増えて、液面が基準位置h0を超えて上昇すると、駆動電極13と測定電極12との間の静電容量は、液面レベルに略比例して増加する。これに対して、参照電極15は、基準位置h0を越える部分が、図3に示すような各シールド電極14,16及び各シールド層11,17にシールドされているので、基準位置h0に相当する静電容量から変化しない。前記のように、センサ出力は、測定電極12側の静電容量に基づく信号と、参照電極15側の静電容量に基づく信号の差に比例する。したがって、液面レベルが上昇すると、これに比例して増加する。同様に、センサ出力は、液面レベルが下降すると、これに比例して減少する。このように、センサ部2のセンサ出力は、参照用測定部25の受信電圧を基準として、液面レベルに略比例した大きさの信号になる。したがって、信号の大きさから液面レベルの絶対値がわかる。
Here, the dielectric constant between the
同様にして、センサ部3と、センサ部4とにおいても、交流信号に基づいて、それぞれの取り付け位置における液面レベルが検出される。
ここで、図1に示すように、容器1が水平状態にある場合には、各センサ部2,3,4に対応するセンサ出力は、略同じ値になる。これに対して、容器1が傾いた姿勢にあるときには、センサ部2,3,4ごとに異なるセンサ出力が得られる。この場合には、各センサ出力、つまり各液面レベルの値と各センサ部2,3,4の位置とに基づいて所定の計算を行い、容器1の傾斜角度を算出することができる。具体的には、3つのセンサ部2,3,4の内から選択される2つのセンサ部のセンサ出力からは、特定の軸回りの傾きを検出することができる。例えば、センサ部2とセンサ部3からは、軸線C3回りの傾斜角度を検出できる。センサ部2とセンサ部4とからは、軸線C2回りの傾斜角度を検出できる。そして、センサ部3とセンサ部4とからは、センサ部3及びセンサ部4を結ぶ軸回りの傾斜角度を検出できる。さらに、3つのセンサ部2,3,4のセンサ出力からは、3次元の傾きを検出できる。これらの場合の傾斜角度は、以下の式1により算出することができる。
Similarly, also in the
Here, as shown in FIG. 1, when the
ここで、θは、水平方向に対する液面の傾斜角度を示し、Δhは、液面レベルの差である。液面レベルの差は、3つのセンサ部2,3,4のうちから任意に選択された2つのセンサ部のセンサ出力における液面レベルの値から求められる。例えば、センサ部2のセンサ出力よる液面レベルの値から、センサ部3のセンサ出力による液面レベルの値を差し引いて得られる。Deは、測定電極間距離であり、例えば、センサ部2の測定電極12から、センサ部3の測定電極12までの直線距離に相当する。なお、各測定電極12間の距離は、容器1ごとに予め設定された値が用いられる。また、センサ部2とセンサ部4、及びセンサ部3とセンサ部4の各測定電極12間の距離も、容器1ごとに予め設定されている。
Here, θ represents the inclination angle of the liquid level with respect to the horizontal direction, and Δh is the difference in liquid level. The difference in the liquid level is obtained from the value of the liquid level in the sensor output of two sensor units arbitrarily selected from the three
この実施の形態によれば、複数のセンサ部2,3,4を、軸線C2と軸線C3とに振り分けて配置し、かつ各センサ部2,3,4同士を十分な距離をおいて容器1の内面に取り付けたので、異なるセンサ部2,3,4の各電極12,13,15間の静電的な結合を抑制できる。したがって、液面レベルを精度良く測定できる。また、参照電極15の一部を電磁的にシールドしたので、各センサ部2,3,4で検出する液面レベルの精度も向上できる。
さらに、複数のセンサ部2,3,4の位置と、そのそれぞれのセンサ出力とに基づいて所定の計算を行うことで、容器1の傾斜角度を検出することができる。ここにおいて、3つのセンサ部2,3,4が振り分けて配置されていること、及び十分な距離をおいて配置されているので、傾斜角度を精度良く測定できる。
According to this embodiment, the plurality of
Furthermore, the inclination angle of the
そして、シールドされていない部分、つまり参照用測定部25を、参照電極15の下端で、容器1の底面近傍に配置したので、レファレンスとして用いる静電容量を測定しやすい。したがって、少ない液量からでも液面レベルを精度良く測定できる。ここで、液面レベルは、基準位置h0からの距離として求められるが、基準位置h0は、液面レベルセンサの容器1への取り付け位置が決まれば既知の値になるので、容器1の底面から液面までの絶対値を簡単に求めることができる。
また、測定電極12と参照電極15とが、駆動電極13を共有し、3本の電極で液面レベルを測定するので、液面レベルセンサの小型化が可能である。また、各電極12,13,15を吸水率の小さい複数のフィルム7,8,9,10で覆ったので、各電極12,13,15と液体との接触を防止できる。
And since the part which is not shielded, ie, the
Further, since the
ここで、この液面レベルセンサの適用例としては、PDA(電子手帳)、コンピュータ、携帯電話などの携帯端末装置の電源、又は車両の駆動源として開発されている燃料電池において、燃料を貯蔵する容器や、廃液を貯蔵する容器の貯蔵量(残量)を検出するために適用することができる。参照電極15で測定するレファレンス用の静電容量を精度良く測定できるので、純粋なメタノールや、蟻酸とホルムアルデヒドの混合液など、誘電率の異なる液体が容器に入れられた場合であっても、確実に液面レベルを検出することができる。また、この液面レベルセンサは、洗濯機や、食器洗い機、電気ポット、浴槽など、容器内に水などの液体が貯蔵されるものに適用しても良い。
Here, as an application example of this liquid level sensor, fuel is stored in a fuel cell developed as a power source for a portable terminal device such as a PDA (electronic notebook), a computer, a cellular phone, or a driving source of a vehicle. The present invention can be applied to detect the storage amount (remaining amount) of a container or a container that stores waste liquid. Since the reference capacitance measured by the
次に、第2の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、第1の実施の形態と同一の構成要素には同じ符号を付してある。また、重複する説明は省略する。
この実施の形態は、複数のセンサ部を絶縁フィルムで一体的に形成したことを特徴とする。
Next, a second embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as 1st Embodiment. In addition, overlapping explanation is omitted.
This embodiment is characterized in that a plurality of sensor portions are integrally formed of an insulating film.
図5に示すように、容器1の軸線C2に沿う平面1aには、絶縁フィルム70が取り付けられている。この絶縁フィルム70上には、2つのセンサ部2,3が軸線C1と平行に設けられている。この実施の形態における液面レベルセンサは、絶縁フィルム70上の2つのセンサ部2,3と、センサ部4と、測定回路6(図1参照)とを含んで構成されている。
As shown in FIG. 5, an insulating
絶縁フィルム70の幅は、第一の面1aの軸線C2方向の長さに略等しく、高さは、各センサ部2,3の軸線C1方向の高さに略等しい。この絶縁フィルム70の幅方向の一方の縁部には、センサ部2を密着させてある。また、絶縁フィルム70の幅方向の他方の縁部には、センサ部3を密着させてある。なお、絶縁フィルム70は、各フィルム7,8,9,10と同じ材料から製造される。また、センサ部4は、図3と同様の構成を有している。
また、センサ部4は、図3に示すセンサ部2と同じ構成を有している。
The width of the insulating
Moreover, the
この液面レベルセンサは、2つのセンサ部2,3が絶縁フィルム70で一体的に形成されているので、各センサ部2,3を容器1に固定しやすい。さらに、2つのセンサ部2,3が絶縁フィルム70で連結されるので、各センサ部2,3の位置がずれにくくなり、測定精度を向上できる。
In this liquid level sensor, since the two
また、センサ部2及びセンサ部3のそれぞれのカバーフィルム7の代わりに絶絶縁フィルム70を用いても良い。すなわち、絶縁フィルム70の幅方向のそれぞれの縁部にシールド層11(図3参照)を形成し、このシールド層11を導電スルーホール部20で第一絶縁フィルム8上の第二シールド電極16に接続する。
さらに、絶縁フィルム70を2層構造とし、センサ部2及びセンサ部3のそれぞれのカバーフィルム7及び第一絶縁フィルム8の代わり、2枚の絶縁フィルム70を用いても良い。この場合には、シールド層11を形成した絶縁フィルム70上に、各電極12,13,14,15,16を配列した絶縁フィルム70を密着させる。シールド層11及び各電極12,13,14,15,16は、2枚の絶縁フィルム70の幅方向の両方の縁部のそれぞれに形成される。そして、その上に、第二絶縁フィルム9及びカバーフィルム10(共に図3参照)が積層される。
同様にして、センサ部2及びセンサ部3のカバーフィルム7、第一絶縁フィルム8、及び第二絶縁フィルム9を3枚の絶縁フィルム70に置き換えても良い。さらに、センサ部2及びセンサ部3のすべてのフィルム7,8,9,10を4枚の絶縁フィルム70に置き換えても良い。上記のように、各フィルム9、10を絶縁フィルム70に置き換えた場合においては、測定回路6との接続のために、各電極12,13,14,15,16の一部が露出するように、軸線C1方向における高さが調節されている。
Further, an insulating
Furthermore, the insulating
Similarly, the
このような場合には、液面レベルセンサの製造が容易になる。ここにおいて、各電極12,13,14,15,16や、シールド層11,17は、前記した従来のエッチング技術を用いることができるので、製造コストを低く抑えることができる。特に、測定電極13などが配置されるフィルムを絶縁フィルム70にした場合には、各電極12,13,14,15,16を大面積のフィルム上に形成することになるので、電極の位置や、面精度を向上できる。
In such a case, the liquid level sensor can be easily manufactured. Here, since the
なお、図6に示すように、軸線C1と平行に配列される3つのセンサ部2,3,4のすべてを、絶縁フィルム72で一体的に形成しても良い。この場合の絶縁フィルム72は、第一の面1a及び第二の面1bの合計の長さに略等しい幅を有する。さらに、各面1a,1bに沿うように、第一の面1aと第二の面1bの連結部分で略90°折り曲げられている。このため、絶縁フィルム72は、平面視で、略L字形状を有している。そして、絶縁フィルム72の一方の縁部にセンサ部4が設けられ、他方の縁部にはセンサ部3が設けている。さらに、絶縁フィルム72の折り曲げ部分73の近傍には、センサ部2が設けられている。絶縁フィルム72は、前記の絶縁フィルム70と同じ材料から製造される。各センサ部2,3,4は、絶縁フィルム72上に設けられるか、少なくとも1枚のフィルムに絶縁フィルム72を用いて構成される。
このような液面レベルセンサでは、3つのセンサ部2,3,4に対して、前記と同様の効果が得られる。
As shown in FIG. 6, all of the three
In such a liquid level sensor, the same effect as described above can be obtained for the three
次に、第3の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、前記の各実施の形態と同一の構成要素には同じ符号を付してある。また、重複する説明は省略する。
この実施の形態は、複数のセンサ部の間に電磁的なシールドを設けたことを特徴とする。
図7に示すように、液面レベルセンサは、軸線C1と平行に配列された3つのセンサ部2,3,4と、測定回路6(図1参照)とを含み、センサ部2及びセンサ部3が絶縁フィルム81で一体的に形成されている。さらに、絶縁フィルム81において、センサ部2からセンサ部3に至るまでの略中間位置には、シールド部となるシールド電極82が設けられている。そして、センサ部2からセンサ部4に至るまでの略中間位置には、シールド部83が平面1bに沿って設けられている。
Next, a third embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as each said embodiment. In addition, overlapping explanation is omitted.
This embodiment is characterized in that an electromagnetic shield is provided between a plurality of sensor units.
As shown in FIG. 7, the liquid level sensor includes three
絶縁フィルム81は、図5に示す絶縁フィルム70と同じ形状を有し、同じ材料から形成されている。絶縁フィルム81は、軸線C2に沿う第一の面1aに取り付けられている。また、絶縁フィルム81の幅方向の両方の縁部上には、センサ部2及びセンサ部3が並列に設けられているが、前記と同様に、各センサ部2,3を構成する複数のフィルム7,8,9,10(図3参照)の少なくとも1枚を絶縁フィルム81にしても良い。
シールド電極82は、容器1の高さ方向に平行に配置されており、高さ方向の長さは、他の電極12,13,15と同じ長さである。このシールド電極82は、所定の厚さの導電性材料を貼り付けられた絶縁フィルム81において、導電材料を部分的にエッチングして形成される。なお、シールド電極82が直接に液体に接触しないように、シールド電極82をフィルムで覆うことが好ましい。例えば、絶縁フィルム81を2層構造にする場合には、シールド電極82を挟み込むように絶縁フィルム81を積層する。
The insulating
The
また、シールド部83は、導電性のシールド電極84を絶縁フィルム85で覆った構成を有し、絶縁フィルム85が第二の面1bに密着させられている。シールド電極84は、シールド電極82と、同一の材料で作製され、同一の形状を有している。絶縁フィルム85は、絶縁フィルム81と同じ材料から製造される。
Moreover, the shield part 83 has the structure which covered the
この液面レベルセンサは、シールド電極82及びシールド電極84が接地接続された状態で使用される。このため、液面レベルの測定時には、センサ部2の駆動電極13から伝播する信号のうち、センサ部3やセンサ部4に向かう信号は、それぞれ、シールド電極82及びシールド電極84によって遮断される。このため、センサ部2と、センサ部3又はセンサ部4との間の静電的な結合が防止される。同様に、センサ部3からの信号は、シールド電極82があるので、センサ部2には伝播しない。センサ部4からの信号は、シールド電極84があるので、センサ部2には伝播しない。なお、センサ部3とセンサ部4との距離は十分に離れているため、両者の間の静電的な結合は生じない。
したがって、この液面レベルセンサでは、他のセンサ部2,3,4からの信号を測定電極12や参照電極15で受信することがなくなるので、液面レベルの測定精度が向上する。また、液面レベルと各センサ部2,3,4の配置とに基づいて算出される容器1の傾斜角度の測定精度も向上できる。
This liquid level sensor is used in a state where the
Therefore, in this liquid level sensor, the signals from the
ここにおいて、図1に示すように、センサ部2とセンサ部3とを独立して配置する場合には、センサ部2とセンサ部3との間に、シールド部83と同じ構成のシールド部を配置し、電極を接地接続すれば、センサ部2,3間の静電的な結合を防止できる。
また、3つのセンサ部2,3,4を絶縁フィルム72(図6参照)で一体的に形成した場合には、シールド電極84を、絶縁フィルム72上で、センサ部4の配置位置から、折り曲げ部分73に至るまでの間に配置し、接地接続することで、センサ部2とセンサ部4との間の静電的な結合を防止できる。
Here, as shown in FIG. 1, when the
Further, when the three
なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに、広く応用することができる。
例えば、インピーダンスが、液体に浸漬した電極面積に比例することを利用し、静電容量の上位概念であるインピーダンスを測定して、液面レベルを検出するように、電流検出回路及び電圧検出回路を備えた測定回路としても良い。
また、各測定回路27,28,29は、センサ部2,3,4ごとに異なる周波数の交流信号を各駆動電極13に入力するように構成しても良い。各センサ部2,3,4及び測定回路6におけるクロストークが防止されるので、測定精度が向上する。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be widely applied.
For example, using the fact that impedance is proportional to the area of an electrode immersed in a liquid, the impedance that is a higher concept of capacitance is measured, and the current detection circuit and the voltage detection circuit are detected so as to detect the liquid level. It may be a measurement circuit provided.
In addition, each
また、各実施の形態において、センサ部の数を4つ以上にしても良い。4番目以降のセンサ部は、第一の面1aに配置しても良いし、第二の面1bに配置しても良い。また、容器1の他の面に配置しても良い。さらに、4つ以上のセンサ部を絶縁フィルムで一体的に形成しても良いし、各センサ部の間にシールド電極82又はシールド部83と同様なシールド部を配置しても良い。
さらに、容器1の形状は、長方体に限定されず、円柱形状や、多角形状であったり、内面に凹凸を有したりしても良い。これらの場合においても、3つ以上のセンサ部を、容器1の高さ方向に直交する2つの軸に振り分けて配置したり、断面視で三角配置したりすることで、液面レベルや、傾斜角度を高精度で測定できる。
In each embodiment, the number of sensor units may be four or more. The fourth and subsequent sensor portions may be arranged on the
Furthermore, the shape of the
また、各フィルム7,8,9,10は、最外層である各カバーフィルム7,10のみが吸水性のない材料、又は吸水性が殆どない材料を用いても良い、さらに、フィルムの外表面をガラスコーティングすることや、他の防水材料でさらに覆うことで、吸水を防止しても良い。
さらに、各センサ部2,3,4は、シールドを有さない構成でも良い。この場合には、参照電極15の参照用測定部25に対して、信号導通部26の幅を狭くすることが好ましい。
そして、測定回路6において、アナログスイッチ38,40と発振回路31との間に、信号の位相を90°ずらす移相回路100(図4参照)を介装させても良い。駆動波形に対して位相が90°ずれる受信電圧の信号強度を大きい位相部分でデータ処理することが可能になるので、より高感度化が図れる。
In addition, each of the
Further, the
In the
1 容器
1a 第一の面
1b 第二の面
2,3,4 センサ部
7,10 カバーフィルム(絶縁フィルム)
11,17 シールド層(シールド)
12 測定電極
13 駆動電極
15 参照電極
70,72,81 絶縁フィルム
82 シールド電極(シールド部)
83 シールド部
C1,C2,C3 軸線
h0 基準位置
DESCRIPTION OF
11, 17 Shield layer (shield)
12
83 Shield part C1, C2, C3 Axis h0 Reference position
Claims (7)
A plurality of electrodes arranged in a container, having three sensor parts for detecting a liquid level in the container based on a change in electrical characteristics between the electrodes, the sensor part being in the height direction of the container A liquid level sensor, wherein the liquid level sensor is arranged in a triangular arrangement in a cross-sectional view orthogonal to the horizontal axis.
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