(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体のダクトを介してダクト内を通過するショ糖を含む液体を検出する静電容量型近接センサであって、
検出物体に近接するように構成された検出電極と、
前記検出物体の緩和周波数の１／１０〜１０倍の範囲内の周波数で発振し、前記検出電極と接地端間の静電容量の増加及び誘電損の増加によって同一方向に発振周波数が変化する発振回路と、
前記検出電極に対する検出物体の近接を前記発振回路の発振周波数に基づいて判別する周波数判別手段と、を有することを特徴とする静電容量型近接センサ。
【請求項２】
前記発振回路の発振周波数は、検出物体の緩和周波数の１／２〜２倍の範囲内の周波数であることを特徴とする請求項１記載の静電容量型近接センサ。
【請求項３】
前記検出電極は筒状の容器に対応した略半円形の電極であることを特徴とする請求項１又は２記載の静電容量型近接センサ。
【請求項４】
前記発振回路及び発振周波数判別手段を実装したプリント基板を耐水性の筐体内に収納したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の静電容量型近接センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は物体の接近を検知するための非接触型の静電容量型近接センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電容量型近接センサは電極と対地間の静電容量の変化を検出するものであり、検出対象となる物体としては金属体に限らず種々の誘電体を検出することができる。金属体は高周波発振型近接センサで検出できることから、静電容量型近接センサは誘電体を検出対象とすることが多い。従来の静電容量型近接センサでは、検出電極に発振回路を接続し、電極と対地間との静電容量の変化を発振周波数の変化として捉え、これに基づいて誘電体の近接を検出するようにしている。又電極を含む増幅回路を構成し、静電容量の変化によって発振振幅が変化することから誘電体の近接を検出するようにした近接センサも用いられている。
【０００３】
従来のいずれの方式の静電容量型近接センサの場合も、誘電率の変化を効果的に検出するために発振周波数は比較的低い周波数、即ち数百ＫＨｚ〜１ＭＨｚ程度の周波数が選択される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の静電容量型近接センサでは、高誘電率の物体が近接している場合、その物体を介してその先にある物体を検出することは難しいという欠点があった。又従来の静電容量型近接センサでは、誘電率の低い物体を検出することが難しいという欠点があった。例えばダクトに高粘度の液体を通過させる場合には、一部の液体が壁面に付着する。従ってダクトの壁面にのみ液体が付着した状態で通過しているのか、ダクトに空気層を含むことなく液体が通過しているかどうかを認識することが難しいという欠点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、従来の静電容量型近接センサでは検出が困難であった高誘電率の物体を介してその向こう側にある物体や、高粘度の液体等の誘電率の低い物体を効果的に検出することができる静電容量型近接センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１の発明は、誘電体のダクトを介してダクト内を通過するショ糖を含む液体を検出する静電容量型近接センサであって、検出物体に近接するように構成された検出電極と、前記検出物体の緩和周波数の１／１０〜１０倍の範囲内の周波数で発振し、前記検出電極と接地端間の静電容量の増加及び誘電損の増加によって同一方向に発振周波数が変化する発振回路と、前記検出電極に対する検出物体の近接を前記発振回路の発振周波数に基づいて判別する周波数判別手段と、を有することを特徴とするものである。
【０００７】
本願の請求項２の発明は、請求項１の静電容量型近接センサにおいて、前記発振回路の発振周波数は、検出物体の緩和周波数の１／２〜２倍の範囲内の周波数であることを特徴とするものである。
【０００８】
本願の請求項３の発明は、請求項１又は２の静電容量型近接センサにおいて、前記検出電極は筒状の容器に対応した略半円形の電極であることを特徴とするものである。ここで略半円形とは「半円形又はそれに準ずる形状」の意味であり、例えば六角形，八角形などの多角形を半分にしたような形状も含まれるとする。
【０００９】
本願の請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項の静電容量型近接センサにおいて、前記発振回路及び発振周波数判別手段を実装したプリント基板を耐水性の筐体内に収納したことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
静電容量型近接センサの測定対象となる誘電体にはイオン性の大きい結合が非対称に存在する有極性分子が存在しており、電界を印加したとき分極が生じるが、誘電分極全体に占める配向分極の割合が比較的大きい。配向分極の緩和周波数は、従来の静電容量型近接センサでは交流電界の周波数よりも十分大きいので、誘電分極は静電容量型近接センサの検出電極から発生する電界に対して十分に追従している。このため誘電損が小さく、無視できるレベルとなっている。しかし電極から発生する交流電界の周波数が所定周波数以上となれば、変化する電界に分極が十分追従できなくなり、電界より９０°位相の進んだ誘電体への充電電流だけでなく、電界と同相の電流が流れるようになる。この同相電流の流れ易さを誘電損として定義する。誘電損の変化によってＣＲ型の充放電回路の時定数が変化する発振回路を構成することによって、誘電率の変化だけでなく誘電損の変化も同時に検出することができる。
【００１１】
ここで誘電損が生じる周波数は物体によって異なり、緩和周波数付近又はこれより高い周波数の電界を印加したときに誘電損が生じることが示されている。（１９８０年３月２日オーム社発行、「電気材料」、改訂第２版第１３〜１９頁）
【００１２】
誘電体に電界を印加し、平衡に達した後電界を除くと、分極は漸減する。分極が１／ｅになるまでの時間を緩和時間τ、その逆数を緩和周波数ｆr とすると、液体の場合には緩和時間τは次式で示される。
τ＝４πｒ3 η／ｋＴ
但し
ｒ：液体の分子半径
η：液体の粘度
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
例えば清涼飲料水等に多く含まれるショ糖（Ｃ6 Ｈ12Ｏ6 ）の場合には、
ｒ＝１．０×１０-9ｍ
η＝１Ｐａ・ｓ
ｋ＝１．３８×１０-28 Ｊ／Ｋ
Ｔ＝２８０Ｋ（＝７℃）
とすると、緩和周波数ｆr は約３．１ＭＨｚとなる。他の液体についても粘度，分子半径等に基づいて緩和周波数を算出することができる。又固体、例えば塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ），ポリエステル樹脂（ＰＥＴ）等の緩和周波数も１ＭＨｚ程度であるものが多い。
【００１３】
さて図２（ａ）に示すように平行平板型のコンデンサの極板間に誘電体がない場合の静電容量をＣ０  とし、これに交流電界を印加すると印加電圧に対して電流の位相が進み、電圧，電流をベクトルＶ，Ｉで表すと、その関係は次式で示される。
【数１】
0003613034.tif 000002
そして図２（ｂ）に示すように電極の間に誘電体を入れると、電荷密度は増加して静電容量は誘電率εｒ  ′倍増加し、εｒ  ′Ｃ０  となる。そして電界の周波数が緩和周波数ｆｒ  に近づくとＱの変化が電圧に追従できなくなって遅れる。この状態では充電電流の他に印加電圧と同相の電流が流れるようになり、電流ベクトルは次式で示される。
【数２】
0003613034.tif 000003
Ｇは誘電体のコンダクタンスを示す。又図２（ｃ）はこのベクトルを示す図である。従って式（１），式（２）を対応させると電流は次式で示される。
【数３】
0003613034.tif 000004
ここでＣ／Ｃ０  ＝εｒ  ′、Ｇ／ωＣ０  ＝εｒ  ″とすると、誘電率は次式で示される。
【数４】
0003613034.tif 000005
ここでεｒ  ′は実効比誘電率、εｒ  ″は比誘電損率である。
【００１４】
そして本発明では実効比誘電率と比誘電損率の両方を周波数変化に置き換えるために、これらが１０：１〜１：１０の範囲内にあるように発振周波数を選択する。そして空気の実効比誘電率＝１、誘電損＝０と近似できることから、これらの間に以下の関係が成り立つことが必要である。
０．１≦（εｒ  ′−１）／εｒ  ″≦１０
図３は正規化周波数ωτ、即ち緩和周波数ｆｒ  に対する正規化された実効比誘電率εｒ  ′−１と比誘電損率εｒ  ″を示すグラフである。このように本発明では、静電容量型近接センサの発振回路の発振周波数を緩和周波数の１／１０〜１０倍の範囲とする。そして好ましくは検出物体の緩和周波数の１／２〜２倍の範囲の周波数を発振周波数とし、１：１であることが最も好ましい。そして発振回路として実効比誘電率の増加と比誘電損率の上昇によって、共に同一方向に発振周波数が変化する発振回路を用いる。そして実効比誘電率と比誘電損率とを同時に検出することによって、誘電率が比較的小さい物質に対しても静電容量型センサを適用できるようにしている。
【００１５】
さて図１はこの実施の形態における静電容量型近接センサの全体構成を示すブロック図、図４は発振回路の一例を示す回路図であり、図５はこの静電容量型近接センサの検出電極を示す斜視図である。検出電極１１は被検出対象に対応した形状を選択する。例えばダクト１０内を通過する粘度の高い液体を検出する場合、容器である円筒状のダクト１０を囲むように略半円形に近い形状とする。ここでは図５に示すように八角形状で平行な対向面の端部から三面を除いた構造とし、一端に接続用のピン１１ａを設ける。この検出電極１１には発振回路１２が接続される。
【００１６】
発振回路１２は図４に示すようにシュミットトリガインバータ１３の入出力端に帰還抵抗Ｒ１を接続し、その入力端に検出電極１１を接続したものである。検出物体をダクト内を通過する粘度の比較的高い液体とすると、検出電極１１と接地端間には等価的に図４に示す静電容量Ｃｘ、及びこれと並列に誘電損に反比例する抵抗Ｒｘが接続されたものとなる。この発振回路１２の発振周波数は次式で示される。
【数５】
0003613034.tif 000006
但しα，β，ｆ０  は検出電極と対地間の静電容量Ｃｘ，抵抗Ｒｘや帰還抵抗Ｒ１によらない定数であり、α＜０，β＞０である。このような回路構成としておけば、発振周波数ｆは静電容量Ｃｘに対して単調に減少し、抵抗Ｒｘに対して単調増加することとなる。こうすれば発振回路の検出電極１１に検出物体が接近したときに、実効誘電率に比例する静電容量Ｃｘの増加、及び誘電損率に反比例する抵抗Ｒｘの減少のいずれに対しても、発振回路１２の発振周波数を低下させることができる。従ってこの発振回路の発振周波数が所定周波数より低下したかどうかを検出することによって、効率よく実効比誘電率及び比誘電損率の増加を検出することができ、検出物体の接近を検出することができる。
【００１７】
発振回路１２の出力は図１に示すブロック図の分周回路１４に入力される。分周回路１４は発振回路１２の高周波パルスを適宜分周し低周波とするものであり、その出力はマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）１５に入力される。マイクロコンピュータ１５内は入力されたパルスを二値化してその周期を計測する周期計測部１６、及び検出された周期を所定の閾値と比較する比較判別部１７を有している。分周回路１４及びマイクロコンピュータ１５は発振周波数の低下に基づいて誘電体を検出する周波数検出手段を構成しており、検出出力は入出力インターフェース１８を介して制御信号として外部に出力される。尚、分周回路１４は検出分解能が比較的低くしてもよい場合は省略可能である。
【００１８】
図６はこの実施の形態による静電容量型近接センサの組立構成図である。本図に示すようにこの静電容量型近接センサは側方の一部が切欠かれ、円筒形の保持部２１ａ〜２１ｄを有する取付板２１上に、センサの電極ケース２２及びケース２３を取付けて構成する。電極ケース２２には前述した検出電極１１が収納され、プリント基板２４の端部が固定される。プリント基板２４には前述した発振回路１２，分周回路１４やマイクロコンピュータ１５，入出力インターフェース１８の電子回路部品が実装されている。電極ケース２２の外周部分はシールゴム２５を介してケース２３が取付けられる。ケース２３の背面にはコードブッシュ２６，コードキャップ２７等を介してコード２８及びコネクタ２９が取付けられる。このようにシールゴム２５によって電極ケース２２とケース２３とを気密に構成し、静電容量型近接センサの筐体の耐水性を確保することができる。又取付板２１からケースを浮かせて取付けることにより、取付板２１からの熱伝導を小さくしてケース内の電子回路部の結露を防止することができる。これにより静電容量型近接センサの信頼性と寿命を改善するようにしている。
【００１９】
図７は本実施の形態によるマイクロコンピュータ１５の動作を示すフローチャートである。本図に示すように動作を開始するとまずステップ３１において初期設定を行い、ステップ３２に進んで分周回路１４からの分周出力の周期を測定する。そしてステップ３３に進んで測定された周期が所定値かどうかを判別し、その判別結果によって出力状態１又は２、即ち検出物体有り又は無しのいずれかを判別する（ステップ３４，３５）。こうしていずれかの状態の判別信号を入出力インターフェース１８を介して外部に出力し、ステップ３２に戻って同様の処理を繰り返す。こうすれば一定の周期で検出電極１１の近傍に検出物体が接近しているかどうかを判別することができる。従って誘電率の高い物体があってもダクト中に検出対象である粘性の高い液体が通過していなければ、ダクトのない状態に比べて発振周波数はあまり低下しない。従ってこれを定常状態としてダクト中に通過する液体が流れた場合に、静電容量の増加及び誘電損の増加となる抵抗値Ｒｘの減少に基づいて発振周波数が低下するため、発振周波数の低下から液体を検出することができる。
【００２０】
尚本実施の形態では、粘性の高い液体を検出するため電極形状は検出する液体の容器等の形状に合わせた形状としている。こうすれば効果的に容器内の液体に対する印加電界を強めることができる。本発明の検出対象は液体に限らず、従来困難であったプラスチック，ゴム等の低誘電率の物体も検出することができる。従って固体を検出する場合、その形状に対応した種々の形状の検出電極とすることができることはいうまでもない。
【００２１】
尚本実施の形態では、静電容量の増加及び誘電損の増加となる抵抗値Ｒｘの減少に基づいて発振周波数が低下する発振回路を用いているが、静電容量の増加及び誘電損の増加となる抵抗値Ｒｘの減少に基づいて発振周波数が上昇する発振回路も用いることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、検出物体であるショ糖を含む緩和周波数に応じて発振回路の発振周波数を選択しているため、粘性の高い液体等誘電率の小さい物体に対してもその有無を判別することができる。又ダクト内を通過する物体などを検出物体とする場合にダクト等の高誘電率の他の物体を介して検出物体の有無を検出することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による静電容量型近接センサの構成を示すブロック図である。
【図２】交流電界が印加されるコンデンサ及びその電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示す図である。
【図３】正規化周波数に対する正規化比誘電率及び正規化比誘電損率の関係を示すグラフである。
【図４】本実施の形態による静電容量型近接センサの発振回路の一例を示す回路図である。
【図５】本実施の形態による検出電極の斜視図及び検出電極を測定対象に取付けた状態を示す斜視図である。
【図６】本実施の形態による静電容量型近接センサの例を示す構成図である。
【図７】本実施の形態の静電容量型近接センサの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１  検出電極
１２  発振回路
１３  シュミットトリガインバータ
１４  分周回路
１５  マイクロコンピュータ
１６  周期計測部
１７  比較判定部
１８  入出力インターフェース
２１  取付板
２２  電極ケース
２３  ケース
２４  プリント基板
２５  シールゴム
【図１】
0003613034.tif 000007
【図２】
0003613034.tif 000008
【図３】
0003613034.tif 000009
【図４】
0003613034.tif 000010
【図５】
0003613034.tif 000011
【図６】
0003613034.tif 000012
【図７】
0003613034.tif 000013