(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央に設けた電極とこの電極を囲むように配置された環状の電極からなる電極部と、該電極部の一対の電極で構成されるコンデンサ領域を検知領域とし、検知領域内に存在する水分量で決定される静電容量値を検知する容量検知回路と、容量検知回路から出力される検知された静電容量値に相当する値の電気量を出力する出力回路とからなり、前記電極部で構成される高周波電界領域を検知領域として該検知領域内に存在する水分量で決定される静電容量値を検知して水分量に対応して電圧を出力するものであって、静電容量値を検知するために用いる周波数帯域を、検知したい生ゴミ処理剤の水分量と静電容量とが略直線的に変化する特性が得られる周波数帯域とするとともに、前記生ゴミ処理剤の検知したい水分量の範囲の上限に応じて周波数の下限を設定したことを特徴とする静電容量式水分量センサ。
【請求項２】
前記検知したい水分量の範囲が４０％までであるときには前記周波数の下限を３０ＭＨｚ、検知したい水分量の範囲が１５％までであるときには、周波数の下限を３ＭＨｚとしたことを特徴とする請求項１記載の静電容量式水分量センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水分量の検出や水分の有無を検出する静電容量式水分量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水分量センサの用途として、発酵工程・米等の穀類・茶の葉・タバコの葉・生ゴミ・木材・土壌・コンクリート細骨材、等で、夫々が静止或いは移動している状態で夫々の物質に含まれる水分量をオンライン又はオフラインで検出する場合や、雨検知・バスお湯はり時の水位監視・人体の着席検知を行う場合が想定される。
【０００３】
これらの用途での検知対象物と、水分量センサの位置関係を図１７に示す。この図で示すように検知対象物Ａが収納される容器Ｂの外側に水分量センサ１を配置して、検知対象物Ａの水分量を検知するようになっている。
【０００４】
水分量センサ１の水分量検知原理によっては、容器Ｂの壁面に開口部を設ける必要がある。検知対象物Ａは矢印で示すように移動する場合或いは静止している場合の何れでも良い。
【０００５】
ここで従来から水分量を測定する方法は、一般には大別すると、赤外線吸収式、マイクロ波式、電気抵抗式、静電容量式、重量式などがある。
【０００６】
赤外線吸収式は、図１８に示す赤外光吸収特性から分かるように１．９４μｍの波長が水に良く吸収されることを利用したもので、この水分吸収波長である１．９４μｍ付近の赤外光を検知対象物に照射して、照射光量に対する反射光又は透過光の減少量から、検知対象物に含まれる水分量を検知する方法である。
【０００７】
図１９はこの赤外線吸収式による水分量センサの一例を示しており、この水分量センサ１は光源Ｌａから波長切り換えフィルタ２、ハーフミラー３と、容器Ｂの開口窓Ｗを介して容器Ｂ内の検知対象物Ａに、水が吸収する波長及び水が吸収しない波長の赤外光を波長切り換えフィルタ２により選択して照射し、夫々の反射赤外光を受波器４により受光してその反射パワーＰ１，Ｐ２を検知して、両者の反射パワーＰ１，Ｐ２の比率を用いることにより、水による吸収以外の影響を除いた上で、水分量を検知する反射式水分量センサを構成している。尚５は波長切り換えフィルタ２の切り換え駆動用モータを示している。
【０００８】
図１９の水分量センサは反射パワーを用いて水分量を検出するものであったが、図２０に示す水分量センサ１は赤外光を容器Ｂ内に入射するための開口窓Ｗの反対側の容器Ｂの壁に検知対象物Ａを透過した赤外光を容器Ｂ外へ出すための開口窓Ｗ’を開口し、この開口窓Ｗ’に対応して透過赤外光の透過パワーを受波する受波器４を設け、波長切り換えフィルタ２により切り換え選択された、水に吸収される波長の赤外光と、水に吸収されない波長の赤外光を容器Ｂ内の検知対象物Ａに照射し、夫々の透過パワーＰ１，Ｐ２を受波器４により検知して、両者の透過パワーＰ１，Ｐ２の比率を用いることにより、水による吸収以外の影響を除いた上で、水分量を検知する透過式水分量センサを構成している。
【０００９】
マイクロ波式は、数ＧＨｚ帯域のマイクロ波を検知対象物に照射し、その反射量、透過量から水分量を検知する方法である。
【００１０】
数ＧＨｚ帯域を使うと水の複素誘電率の効果が現れてくる。つまり、複素誘電率の虚数部分がエネルギ損失や伝播位相遅れを生じさせる。
【００１１】
例えば、図２１に示すように発振器７と、検波器８と、マイクロストリップ回路９とで水分量センサ１を構成して、マイクロストリップ回路９を容器Ｂの壁面に設けて電界を容器Ｂ内に放射する形にし、その電界を容器Ｂ内の検知対象物Ａの内部を通過するように配置する。すると、水分によるエネルギ損失が発生するので、検波器８で検波したパワーから損失量を求め、この損失量から水分量を換算するのである。
【００１２】
尚図２２は比誘電率と周波数と複素誘電率の関係を示している。
【００１３】
そして水の誘電率特性はε＝ε’−ｊε”と表される。
また減衰定数は、
減衰定数（ｄＢ／ｍ）＝２７．３／伝送波長×ｔａｎ（δ）
ε’×ｔａｎ（δ）＝ε”
と表される。
【００１４】
（参照文献：National Technical Report V.24 N.3 June 1978）
電気抵抗式は、水分が導電体である性質を用いて、電極間の電気抵抗値を測定し、その抵抗値から水分量を検知する方法である。
【００１５】
つまりこの電気抵抗式の水分量センサ１は図２３に示すように容器Ｂ内に一対の電極１０ａ、１０ｂを配置して両電極１０ａ，１０ｂ間の検知対象物Ａによる電気抵抗を抵抗ブリッジ回路６の一辺として、その電気抵抗値Ｒに応じて流れる電流を測定器１１により測定して、電気抵抗値Ｒを検知し、その検知した電気抵抗値Ｒを用いて次式により水分量Ｍを演算することで水分量を検知するようになっている。
【００１６】
Ｒ＝Ｋ／（Ｍ×Ｍ）×［１＋α（ｔ−ｔ０）］
Ｒ：検知対象物Ａの電気抵抗値、Ｍ水分量、Ｋ：定数、α：温度係数、ｔ：標準温度、ｔ０：測定温度
検知対象物Ａが木材の場合、概ね乾燥状態で数ＭΩ、水分が多い状態で数ｋΩを示す。（工業計測技術体系編集委員会編：湿度・水分測定  日刊工業新聞社刊１９６５  参照）
尚図２３中ＤＣは直流電源である。
【００１７】
静電容量式は、水が分極する物質（誘電体）である性質を用いて、図２４に示すように一対の電極１２ａ，１２ｂ間の静電容量値を測定してその静電容量値から水分量を検知する方法である。ここで水分量は水分量＝水体積／（Ｓ×ｄ）で表され、Ｓは電極１２の面積、ｄは電極間距離であり、Ｓ×ｄは検知エリアの体積を示す。
そして水分量と静電容量Ｃｘは
Ｃｘ＝［ε’（水）×水分量＋ε’（他）×（１−水分量）］×ε０×Ｓ／ｄとなる。
ここで水の比誘電率ε’（水）は８０，比誘電率ε’（他）は木材の場合には２空気の場合には１であり、検知領域内の水分量によって静電容量Ｃｘが決定される。静電容量Ｃｘの値は電極の大きさにも依存するが、乾燥状態で数ｐＦ、水分が多い状態で数１０ｐＦを示す。（例えば、工業計測技術体系編集委員会編：湿度・水分測定  日刊工業新聞社刊  １９６５  参照）
図２５は水分量と静電容量Ｃｘとの関係を示す。
【００１８】
重量式は、ＪＩＳ規格Ｐ−８１２７で定義されているように、１０５℃の乾燥炉で被検知物Ａを加熱して水分を蒸発させる。このとき、乾燥前質量と乾燥後質量とから、蒸発した水分質量を計算で求めて、乾燥前質量で除した数値で定義される重量水分比率を得る方法である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の赤外線吸収式において透過光を用いる水分量センサ１では、検知対象物Ａが赤外光を透過するような材質のものでなければならない。この場合、数ｍｍ程度までの薄い紙等には適するが、赤外光を透過させない材質のものには不向きである。さらに反射光を用いる水分量センサ１では、検知対象物Ａの表面の凹凸状態、色によって反射条件が大きく左右される。つまり、照射光量に対する光量減少量が水分の吸収によるのか反射条件によるのかが定まらず、精度の良い水分量検知ができないという問題があった。
【００２０】
また、マイクロ波式は、複素誘電率によって発生する伝搬エネルギ損失量を測定しているため、装置が複雑となって製作コストが高いという問題があった。
【００２１】
更に電気抵抗式は、水の電気抵抗式は、水の電気伝導度を用いた抵抗成分の測定を行う方法だが、実際は水分中に含まれる不純物、例えば塩分（ＮａＣｌ）などが電気分解によってできたイオン伝導度の方が桁違いに大きく、そのため抵抗で測定できる値は、正確には水分中に溶解している不純物濃度が実際の所である。
【００２２】
更にまた重量式は、その測定原理からオンライン計測には不向きな方法である。
【００２３】
一方静電容量式は比誘電率が水と同等なものが存在すると誤差の要因となるが、比誘電率が２０〜５０の有機溶剤系物質を含まない上記用途（発酵工程・米等の穀類・茶の葉・タバコの葉・生ゴミ・木材・土壌・コンクリート細骨材、等で、夫々が静止或いは移動している状態で夫々の物質に含まれる水分量をオンライン又はオフラインで検出する場合や、雨検知・バスお湯はり時の水位監視・人体の着席検知等）中に存在する物質では水と同等の比誘電率を有するものがないため、誤差の少ない水分量検知ができ、しかも検知対象物Ａに対して接触させて被検知物体中の水分量をできる特徴がある。
【００２４】
しかし、図２６に示すように水分量により変化する静電容量Ｃｘに並列に水に含まれる不純物による抵抗分Ｒｇが接続された等価回路となる。
【００２５】
しかも容量検知回路１３は図２７に示すように高周波を発振する発振回路１５の出力を接続したブリッジ回路を用い、ブリッジ回路の一辺に接続される抵抗分Ｒｇと静電容量Ｃｘとの並列回路のイピーダンス値の変化により生じる出力を差動増幅回路１９で増幅した後、検波回路１７で検波して、その検波出力を静電容量Ｃｘの値に対応した出力として出力回路１８に与え、出力回路１８ではその入力より水分量に応じて特性を調整した電圧信号として出力するようになっている。
【００２６】
しかし、この従来例回路では高周波のブリッジ回路を用いているため、ある周波数において、Ｒｇ＜１／ω・Ｃｘとなり、抵抗Ｒｇの影響が出てくると、正確に静電容量Ｃｘが正確に検知できないという問題があった。
【００２７】
またブリッジ回路の各辺のインピーダンス素子Ｚａ〜Ｚｃは、インダクタンス素子やコンデンサで構成されるため、回路構成が複雑になる上に各素子の温度特性を打ち消し合うように設定しないと全体の温度特性が悪くなるという問題があった。
【００２８】
本発明は、上記の問題点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、静電容量式による水分量を検知する水分量センサにおいて、正確に、精度良く水分量を検知できる静電容量式水分センサを提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明では、中央に設けた電極とこの電極を囲むように配置された環状の電極からなる電極部と、該電極部の一対の電極で構成されるコンデンサ領域を検知領域とし、検知領域内に存在する水分量で決定される静電容量値を検知する容量検知回路と、容量検知回路から出力される検知された静電容量値に相当する値の電気量を出力する出力回路とからなり、前記電極部で構成される高周波電界領域を検知領域として該検知領域内に存在する水分量で決定される静電容量値を検知して水分量に対応して電圧を出力するものであって、静電容量値を検知するために用いる周波数帯域を検知したい検知対象物である生ゴミ処理剤の水分量と静電容量とが略直線的に変化する特性が得られる周波数帯域とするとともに、前記生ゴミ処理剤の検知したい水分量の範囲の上限に応じて周波数の下限を設定したことを特徴とする。
【００３１】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記検知したい水分量の範囲が４０％までであるときには前記周波数の下限を３０ＭＨｚ、検知したい水分量の範囲が１５％までであるときには、周波数の下限を３ＭＨｚとしたことを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明は上記一対の電極で構成される高周波電界領域を検知領域として検知領域内に存在する水分量で決定される静電容量Ｃｘの値を検知する容量検知回路１３を用い、静電容量Ｃｘの値を検知するに当たり、上述した等価回路上の抵抗Ｒｇの影響を極力抑えるような周波数帯域で上記高周波電界領域を生成するようになっている。つまり図２６のような等価回路のインピーダンスＺ０は１／Ｚ０＝Ｒｇ＋ｊωＣｘで表現されるが、本発明は、近似的に１／Ｚ０＝ｊωＣｘが成立する周波数帯域で容量検知回路１３を動作させることにより、抵抗Ｒｇによる誤動作を抑制するようにしたものであり、このような周波数帯域を、本発明では、ｆ＝１／（２πＣｘＲｇ）で決定するｆよりも大きな周波数帯域と定義する。
【００３４】
この周波数帯域の決定に基づいた本発明の実施形態により、本発明を以下に詳説する。
（実施形態１）
図１は本実施形態の水分量センサ１の回路構成を示しており、移動する検知対象物の水分量を連続的に検知するために用いる電極部１２は、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように中央に設けた電極１２ａと、該電極１２ａを囲むように配置された環状の電極１２ｂを図３に示すように電極支持用絶縁構造物２０の同一平面上に配置し、更に電極１２ａ、１２ｂを保護するために絶縁層２１を形成したものを用い、電極１２ａ、１２ｂの一方を発振回路１５の出力端に容量値が既知のコンデンサＣｒｅｆを介して接続し、他方をグランドに接続してある。そして上記コンデンサＣｒｅｆの一端に接続した電極１２ａ、１２ｂの一方、例えば１２ａをバッファ回路１６の入力端に接続し、発振回路１５の発振出力電圧をコンデンサＣｒｅｆと、電極１２ａ、１２ｂ間の検知対象物の水分量で決まる静電容量Ｃｘとで分圧し、その分圧電圧をバッファ回路１６に取り込み、このバッファ回路１６の出力を検波回路１７で検波し、その検波出力を静電容量Ｃｘの値に対応した出力として出力回路１８に与え、出力回路１８は更に水分量を示す電圧信号として出力するようになっている。
【００３５】
つまり本実施形態の容量検知回路１３は、発振回路１５、バッファ回路１６，検波回路１７で構成され、容量検知回路１３の検波回路１７から静電容量Ｃｘの値に応じた検波出力を取り出し、出力回路１８は検波出力により静電容量Ｃｘに対応した水分量を示す電圧を持つ信号を出力するようになっている。
【００３６】
ここで、図３中Ｃｓは絶縁層２１による静電容量であり、Ｃｘは検知対象物の水分量により変化する静電容量、Ｒｇは水に含まれる不純物による抵抗であり、これらの静電容量Ｃｓ、Ｃｘ、抵抗Ｒｇの電気的な等価回路は図４に示すようになり、図４中のＺは絶縁層２１による静電容量Ｃｓの合成容量Ｃ０（但し１／Ｃ０＝１／Ｃｓ＋１／Ｃｓ）と、静電容量Ｃｘ、抵抗Ｒｇの並列回路との直列回路のインピーダンスを示し、Ｚ０が静電容量Ｃｘと抵抗Ｒｇの並列回路のインピーダンスを示す。
【００３７】
この図４の等価回路のインピーダンスＺは、１／Ｚ＝１／Ｚ０＋ｊωＣ０と示される。ここで１／Ｚ０は上述したように１／Ｒｇ＋ｊωＣ０である。
【００３８】
ここで本発明者らは図１の回路構成において、検知しようとする検知対象物の水分量範囲に適した発振回路１５の最適な周波数帯域を決めるために、図２の電極部に対して接触させる検知対象物の水分量を変化させるとともに、検知領域Ｄに生じさせる高周波電界の周波数を変化させたときの、インピーダンスＺの変化を測定するたところ、図５に示すような結果が得られた。
【００３９】
図５中、ａは水分量２．０％の場合を、ｂは水分量４．０％の場合を、ｃは水分量１２％の場合を、ｄは水分量１８．０％の場合を、ｅは水分量２７．０％の場合を、ｆは水分量４２．０％の場合を夫々示す。
【００４０】
この結果から分かるように水分量の増加に従ってインピーダンスＺが変化していくのだが、数ＭＨｚ以下の周波数帯域では、水分量によるインピーダンスＺの変化が殆ど見られなくなる。これは等価回路上抵抗Ｒｇの値が、静電容量Ｃｘの値よりも支配的になり、絶縁層２１の静電容量Ｃ０の値と抵抗Ｒｇの値のみで決まっている状態である。つまり１／Ｚ＝１／Ｒｇ＋ｊωＣ０と表せる。
【００４１】
ところが、静電容量Ｃ０とＲｇとを比較すると、電極部の構造や検知対象物によって異なるが、Ｃ０は数ｐＦ、抵抗Ｒｇは数ｋΩであるので、周波数１ＭＨｚ以下では１／Ｚ＝ｊωＣ０と近似できる。しかし、数１０ＭＨｚ以上の周波数帯域では、水分量の増加によるインピーダンスＺの変化が依然ある。これは検知対象物の静電容量Ｃｘの値が変化が全体のインピーダンスＺの変化に寄与していることを示している。この周波数帯域では１／Ｚ＝ｊωＣ０＋ｊωＣｘと示すことが近似できる。
【００４２】
従って、数１０ＭＨｚ以上の周波数帯域を用いれば、水分量を測定することがは可能である。このような周波数帯域の下限値を、ここではｆ＝１／（２πＣｘＲｇ）で決定する周波数とする。この周波数よりも上の周波数を用いることで、１／Ｚ＝ｊωＣ０＋ｊωＣｘの近似が成立する。一方周波数上限は水分誘電率周波数特性が図２２で示すように変化する数百ＭＨｚとする。
【００４３】
ここで、容量検知回路１３において検知できる静電容量値は、正確には１／Ｚで決定する値であるから、１／Ｚ＝ｊωＣ０＋ｊωＣｘの領域では、本来求めたい検知対象物の水分量に対応する静電容量Ｃｘではなく、（Ｃ０＋Ｃｘ）が求められることになるが、静電容量Ｃ０は絶縁層２１により略一義的に決まる値であるから特に断らない限り（Ｃ０＋Ｃｘ）をＣｘと同じ意味で扱う。
【００４４】
さて抵抗Ｒｇと静電容量Ｃｘの概ねの値からどの周波数領域でＲｇの影響が出てくるかを、図６に示す寸法関係にある一対の電極１２ａ，１２ｂからなり、図２に示すような構造とした電極部を用いて、この電極部の検知領域Ｄ内に高周波電界を発生させ、そのときの絶縁層２１による静電容量Ｃ０と各２つの検知対象物質の水分量に応じた静電容量Ｃｘを検知して確認したところ、図７に示すように周波数３ＭＨｚ付近では、抵抗Ｒｇの影響が出てきている。そして抵抗Ｒｇの影響が出てくると、水分量と、容量検知回路が検知する静電容量Ｃｘの値の出力との関係は図７に示すように水分量が多い領域で非線形性を持つように成る。その理由は上述したように抵抗Ｒｇが支配的となるためである。尚図７中αは一つの検知対象物、βは他の検知対象物の水分量と静電容量値の出力との関係を示す。
【００４５】
従って、例えば水分量が少ないレベル、例えば水分量が１５％以下のみの場合は周波数３ＭＨｚ付近までの周波数帯域を使用しても、水分量と回路出力は直線の関係にあり、実用的な入出力関係であると言える。
【００４６】
また水分量１５％以上の高水分量においては、水分量と回路出力の関係が非直線であっても実用上問題無い場合は、３ＭＨｚを下限周波数とする周波数帯域を用いれば良い。
【００４７】
水分量が１５％以上の高水分量まで、水分量と回路出力とに直線性を求める場合は、必要とする水分量範囲まで直線性を有する周波数帯域を使用する。図８に示すように周波数３０ＭＨｚ付近で測定した場合、水分量４０％付近までは直線性を有する。その結果、回路出力値を水分量に読み替えることができることが可能となり、非線形変換器が不要になる。図８中αは一つの検知対象物の水分量と静電容量Ｃｘの値の関係を、βは他の検知対象物の水分量と静電容量値の関係を示す。
【００４８】
尚、図８では示さないが、上記傾向によれば周波数３０ＭＨｚ付近を用いたとしても、水分量４０％以上のある水分量以上では、非線形な変化を示すようになることは容易に推測できる。
【００４９】
而して本実施形態を用いてバイオ式の生ゴミ処理機における生ゴミ処理剤の水分量を検知しようとする場合において、乾燥側は精度良く測定したいが、高水分側は少々精度が悪くても問題無い場合、周波数帯域が数ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度の高周波電界を検知領域Ｄ内に発生させるように発振回路１５を構成にすれば満足な直線性が得られることになる。
【００５０】
また水分量が４０％付近までの高水分量側もある程度直線性が必要ならば数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の周波数帯域の高周波電界を検知領域Ｄに発生させることができる発振回路１５の構成を用いればよい。
【００５１】
さらに高水分量の領域まで直線性が要求される用途では、数１００ＭＨｚの周波数帯域の高周波電界を検知領域Ｄで発生できる発振回路１５の構成を用いればよい。
【００５２】
つまり、必要な水分量の測定範囲、或いは直性性が必要な水分量の上限値を決めることで、検知領域Ｄに発生させる高周波電界の周波数帯域が略決定されることになる。
【００５３】
ところで、高周波にすると回路を構成する電子部品のコストや、電波法による電界強度規格も厳しくなる（３ｍ離れたところで、周波数３２２ＭＨｚ以下の場合、５００μＶ／ｍ、３２２Ｍを越える場合、３５μＶ／ｍが電界強度の上限値）のだが、上述のように周波数帯域を決定すれば、必要以上に高い周波数帯域の周波数を用いる必要がないので、余分なコストをかけずに、必要な水分量の部分を直線性良く測定できることになる。
【００５４】
尚水分中に含まれる不純物とは金属イオンＦｅ２＋、Ｎａ＋などであり、また上述のようなゴミ処理機においては食塩の、Ｎａ＋、Ｃｌ−等であり、これらによって抵抗Ｒｇの値が決定されることになる。
【００５５】
また上述の測定値は、バイオ式生ゴミ処理機の生ゴミ処理剤の水分量検知における水分量と周波数関係を具体的に示すものである。一般的には、検知対象物の水分量を変えて、図５に示す周波数−インピーダンスＺの特性を測定して、その検知対象物の抵抗Ｒｇと静電容量Ｃｘの振る舞いを把握し、検知対象物の水分量測定範囲中のある水分量における抵抗Ｒｇの成分と静電容量Ｃｘの成分とで決定する周波数ｆ＝１／（２πＣｘＲｇ）を用いることで。水分量測定範囲中のある水分量までは、水分量と静電容量Ｃｘとが略直線的に変化する特性が得られる。
【００５６】
或いは図５に示す周波数−インピーダンスＺの特性を実測して、図７，図８に示すような各周波数での水分量−静電容量Ｃｘの変化に変換して直線性から判断しても良い。
【００５７】
かようにして本実施形態では検知しようとする検知対象物の水分量の範囲に応じた周波数帯域内の所定の周波数で発振するように発振回路１５の発振周波数を設定するのである。勿論発振回路１５の発振周波数を固定としても良く、或いは水分量範囲に対応して周波数帯域を可変できるようにしても良い。
【００５８】
次に本実施形態の動作を簡単に説明する。
【００５９】
上記のように設定された発振周波数で発振回路１５は、発振動作を行い、一定振幅の発振出力を図９又は図１０の（ａ）のように出力する。
【００６０】
この発振出力電圧は、電極１２ａ、１２ｂ間に存在する検知対象物の水分量に対応した静電容量ＣｘとコンデンサＣｒｅｆとで分圧されてバッファ回路１６を介して検波回路１７に入力する。
【００６１】
ここで水分量が少なくて静電容量Ｃｘが小さい場合には、そのバッファ回路１６に入力する分圧電圧は小さく、逆に水分量が多くて静電容量Ｃｘが大きい場合には、バッファ回路１６に入力する分圧電圧は大きく、そのためバッファ出力は図９（ｂ）或いは図１０（ｂ）に示すように分圧電圧に応じた大きさとなり、検波回路１７の検波出力も図９（ｃ）或いは図１０（ｃ）に示すようになる。従って出力回路１８では検波出力を所定の特性になるように調整して水分量に応じた電圧を持つ出力信号を出力し、この出力回路１８の出力信号の電圧レベルにより水分量が検知できることになる。
【００６２】
本実施形態の回路によれば、静電容量Ｃｘを検知するために、発振回路１５の発振出力電圧を静電容量Ｃｘと既知のコンデンサＣｒｅｆとで分圧するようにしているが、容量検知部位の回路要素をコンデンサＣｒｅｆの１つとしているため、温度特性については基本的には該コンデンサＣｒｅｆについて考慮するだけでよく、結果温度特性の比較的大きな素子の使用を最小限に抑え、温度に対する安定化が図れ、正確に、精度良く水分量を検知できる静電容量式水分センサを提供することができることになる。
【００６３】
勿論必要であれば、温度特性が図１２に示すように温度と静電容量変化率が相補の関係にある容量値が既知の二つのコンデンサＣｒｅｆ＋と、Ｃｒｅｆ−との直列回路を図１のコンデンサＣｒｅｆの代わりに図１１に示すように用いても良い。この場合を両コンデンサＣｒｅｆ＋と、Ｃｒｅｆ−とで温度特性を補償することができ、温度に対する安定化が一層図れる。
【００６４】
（実施形態２）
上記実施形態１の容量検知回路１３では既知のコンデンサＣｒｅｆと検知対象物の静電容量Ｃｘとで、発振回路１５の発振出力電圧を分圧して、その分圧電圧をバッファ回路１６に入力する構成を用いていたが、本実施形態では、図１３に示すように、一対の電極１２ａ，１２ｂ間の検知対象物の水分量に対応した静電容量Ｃｘを介して反転入力端に発振回路１５の発振出力を接続したオペアンプからなる差動増幅回路１９を用い、この差動増幅回路１９の出力から反転入力端との間に容量値が既知のコンデンサＣｒｅｆを接続して負帰還をかけるようにしたものである。差動増幅回路１９の非反転出力はグランドに接続してある。勿論発振回路１５の発振周波数を実施形態１で説明したように検知しようとする検知対象物の水分量範囲中のある水分量における抵抗Ｒｇの成分と静電容量Ｃｘの成分で決定される周波数に設定しておく。
【００６５】
而して本実施形態の水分量センサ１では、発振回路１５の発振出力電圧をコンデンサＣｘとＣｒｅｆで分圧されて入力する電圧を差動増幅回路１９により（Ｃｘ／Ｃｒｅｆ）倍に増幅し、その増幅出力を検波回路１７で検波し、所定の特性となるように出力回路１８で調整した後、検知対象物の水分量に対応した電圧を持つ信号を出力回路１８から出力するのである。尚発振回路１５の発振周波数を固定としても良く、或いは水分量範囲に対応して周波数帯域を可変できるようにしても良い。
【００６６】
而して本実施形態においても、電極１２ａ，１２ｂ間に存在する検知対象物の水分量に応じて電極１２ａ、１２ｂ間の静電容量Ｃｘが変化し、その結果発振回路１５の発振出力電圧を静電容量ＣｘとコンデンサＣｒｅｆとで分圧して得られる分圧電圧も静電容量Ｃｘに応じて変化する。そのため差動増幅回路１９より出力する増幅出力も変化し、その変化に応じて検波回路１７の検波出力も変化する。出力回路１８からは所定の特性となるように検波出力を調整した後、水分量に応じた電圧を持つ出力信号を出力し、この出力回路１８の出力信号の電圧レベルにより水分量が検知できることになる。
【００６７】
以上のような本実施形態では、実施形態１と同様に静電容量Ｃｘを検知するために、発振回路１５の発振出力電圧を静電容量Ｃｘと既知のコンデンサＣｒｅｆとで分圧するようにしているが、容量検知部位の回路要素をコンデンサＣｒｅｆの１つとしているため、温度特性については基本的には該コンデンサＣｒｅｆについて考慮するだけでよく、結果温度特性の比較的大きな素子の使用を最小限に抑え、温度に対する安定化が図れ、正確に、精度良く水分量を検知できる静電容量式水分センサを提供することができることになる。
【００６８】
（実施形態３）
本実施形態の水分量センサ１は、図１４に示すように電極１２ａ、１２ｂ間に存在する検知対象物の水分量による電極１２ａ、１２ｂ間の静電容量Ｃｘにより発振周波数が決定される発振回路１５’を用い、この発振周波数の変化を位相比較器２２、ローパスフィルタ２３，ＶＣＯ２４からなるＰＬＬ回路２５により検出して検出周波数に応じて電圧をＰＬＬ回路２５より得て、この電圧を出力回路１８にて所望の特性に調整し、水分量に応じた電圧を持つ信号を出力するようにしたものである。
【００６９】
而して本実施形態では、電極１２ａ、１２ｂ間に存在する検知対象物（穀物類、砂、ゴミなど）に含まれる水分量の増加とともに、発振回路１５’の発振周波数が下がり、この発振周波数信号がＰＬＬ回路２５に入力されると、ＰＬＬ回路２５内ではＶＣＯ２４の周波数を下げる方向に制御がかかり、その結果としてローパスフィルタ２３の出力電圧が下がることになる。
【００７０】
一方、水分量が減少する場合には、発振回路１５’の発振周波数は上がり、ＰＬＬ回路２５内部では、ＶＣＯ２４の周波数を上げる方向に制御がかかり、その結果ローパスフィルタ２３の出力電圧が上がることになる。
【００７１】
このローパスフィルタ２３の出力電圧を取り込む出力回路１８では、水分量と、出力する電圧との関係が図１５になるように特性を調整して出力する。
【００７２】
本実施形態では、実施形態１，２のように既知のコンデンサを設けることもなく、電極１２ａ、１２ｂ間に存在する検知対象物の水分量の変化による静電容量Ｃｘの変化のみで発振回路１５’の発振周波数を変化させるため、他の回路素子の影響を受けず、且つ水分量に対する電極１２ａ、１２ｂ間の静電容量Ｃｘの変化量が小さい場合においても、静電容量Ｃｘの変化に対する発振回路１５’の発振周波数変化を大きくなるように設定すれば、周波数変化を精度良く検出することにより水分量を精度良く検知することができる。
【００７３】
尚発振回路１５’の発振周波数の下限値は上述した条件により設定するのは勿論である。
【００７４】
図１４の回路では電極１２ａ、１２ｂ間の静電容量ＣｘはＰＬＬ回路２５の入力端とグランドとの間に接続されるため発振回路１５’の出力ラインと、グランドラインとの間に発生する浮遊容量の影響を受ける恐れがある。この浮遊容量の影響を受けないように図１６に示すように電極１２ａ、１２ｂ間の静電容量Ｃｘを発振回路１５’に接続するようにしても良い。この場合は電極１２ａ、１２ｂ間の静電容量Ｃｘの絶対値が小さい場合、つまり検知する水分量の値が小さい場合に有効である。
【００７５】
【発明の効果】
請求項１の発明は、中央に設けた電極とこの電極を囲むように配置された環状の電極からなる電極部と、該電極部の一対の電極で構成されるコンデンサ領域を検知領域とし、検知領域内に存在する水分量で決定される静電容量値を検知する容量検知回路と、容量検知回路から出力される検知された静電容量値に相当する値の電気量を出力する出力回路とからなり、前記電極部で構成される高周波電界領域を検知領域として該検知領域内に存在する水分量で決定される静電容量値を検知して水分量に対応して電圧を出力するものであって、静電容量値を検知するために用いる周波数帯域を、検知したい生ゴミ処理剤の水分量と静電容量とが略直線的に変化する特性が得られる周波数帯域とするとともに、前記生ゴミ処理剤の検知したい水分量の範囲の上限に応じて周波数の下限を設定したので、抵抗成分の影響を受けることなく、生ゴミ処理剤の検知したい水分量の範囲の上限まで、静電容量値を直線性良く測定でき、結果正確な水分量の検知ができるという効果がある。
【００７８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記検知したい水分量の範囲が４０％までであるときには前記周波数の下限を３０ＭＨｚ、検知したい水分量の範囲が１５％までであるときには、周波数の下限を３ＭＨｚとしたので、検知したい水分量に対応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の回路構成図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は同上に用いる電極部の電極パターンの例図である。
【図３】同上に用いる電極部の断面を示す構造説明図である。
【図４】同上の電極部の水分量による静電容量を含む電気的等価回路図である。
【図５】同上の電気的等価回路図のインピーダンスと周波数の関係説明図である。
【図６】同上の電極部に発生させる高周波電界の或る周波数における検知対象物の水分量と電極間の静電容量との関係を測定するために用いた電極部の電極パターン例図である。
【図７】同上の電極部に発生させる高周波電界の或る周波数における検知対象物の水分量と電極間の静電容量との関係説明図である。
【図８】同上の電極部に発生させる高周波電界の別の或る周波数における検知対象物の水分量と電極間の静電容量との関係説明図である。
【図９】同上の検知対象物の水分量の少ない時の動作説明用の波形図である。
【図１０】同上の検知対象物の水分量の多き時の動作説明用の波形図である。
【図１１】同上の別の例の回路構成図である。
【図１２】同上の別の例に用いる既知のコンデンサの温度特性の説明図である。
【図１３】本発明の実施形態２の回路構成図である。
【図１４】本発明の実施形態３の回路構成図である。
【図１５】同上の出力回路の出力電圧と検知対象物の水分量の関係説明図である。
【図１６】同上の別の例の回路構成図である。
【図１７】水分量センサと容器と検知対象物の関係説明図である。
【図１８】水の赤外光吸収特性の説明図である。
【図１９】従来例の構成図である。
【図２０】別の従来例の構成図である。
【図２１】他の従来例の構成図である。
【図２２】比誘電率とマイクロ波の周波数の関係の説明図である。
【図２３】その他の従来例の構成図である。
【図２４】静電容量式の水分量検知の原理説明図である。
【図２５】水分量と静電容量の関係の説明図である。
【図２６】従来の静電容量式水分量センサの電極部の静電容量を含む等価回路図である。
【図２７】従来の静電容量式水分量センサの回路構成図である。
【符号の説明】
１  水分量センサ
１２ａ、１２ｂ  電極
１３  容量検知回路
１５  発振回路
１６  バッファ回路
１７  検波回路
１９  出力回路
Ｃｒｅｆ  コンデンサ
Ｃｘ  静電容量
【図１】
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【図２】
0003705024.tif 000003
【図３】
0003705024.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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