(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  液面レベルセンサは、４つのセンサ部２，３，４，５と、測定回路６とを有しており、各センサ部２，３，４，５には、所定の交流信号が入力される駆動電極と、液面レベルに応じた信号を出力する測定電極と、参照用の信号を取得する参照電極とを有する。駆動電極に入力される交流信号は、測定回路６によって、各センサ部２，３，４，５ごとに異なる周波数を有する。【選択図】    図１
2005172757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が収容される容器内に配置され、液面の高さに応じて変化する電気特性を測定する複数組の電極と、前記電極に接続された測定回路とを有し、前記測定回路は、前記電極の組ごとに、周波数の異なる信号を前記電気特性を測定する信号として与える駆動信号発振器を備えることを特徴とする液面レベルセンサ。
【請求項２】
前記容器において、高さ方向に略直交する２つの軸のそれぞれに沿って、少なくとも３組の前記電極を配置したことを特徴とする請求項１に記載の液面レベルセンサ。
【請求項３】
前記駆動信号発振器は、周波数の大きい搬送波を発振する搬送波発振器と、前記搬送波よりも周波数の小さい変調波を発振する変調波発振器と、前記搬送波に前記変調波を重畳する変調器とを有し、前記変調波を、前記電極の組ごとに異ならせることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液面レベルセンサ。
【請求項４】
前記電極は、周波数の異なる信号が入力される測定信号供給電極と、駆動電極との間で液面の高さに応じて変化する電気特性を測定する測定電極と、電気特性の参照値を測定する参照電極とを含み、前記参照電極は、その先端部分を除いた部分であって、少なくとも液体に浸漬され得る部分が電磁的にシールドされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液面レベルセンサ。
【請求項５】
複数組の前記電極と、前記参照電極のシールドとを防水性の絶縁フィルムで覆ったことを特徴とする請求項４に記載の液面レベルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。具体的には、３本の測定用電極と、１本の補正用電極とを備え、各測定用電極から出力される信号の差から、容器の傾斜角度を算出する（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、測定回路にマルチプレクサを備え、複数の測定用電極から出力される信号を、順次１つずつ選択して処理を行うことが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３１２８９３０号公報
【特許文献２】特開平６−３４４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、容器が小さく、複数の測定用電極が近接する場合には、各測定用電極の間でクロストークが起き、測定結果に誤差が生じる可能性がある。
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、液体が収容される容器内に配置され、液面の高さに応じて変化する電気特性を測定する複数組の電極と、前記電極に接続された測定回路とを有し、前記測定回路は、前記電極の組ごとに、周波数の異なる信号を前記電気特性を測定する信号として与える駆動信号発振器を備えることを特徴とする。
この液面レベルセンサは、各組の電極ごとに異なる周波数の信号を与えるので、電極間のクロストークが防止される。また、周波数の異なる信号に基づいて出力される信号を、電極の組ごとに処理するように測定回路を構成すると、信号処理を同時に行うことが可能になるので、液面レベル及び容器の傾斜をリアルタイムで測定できる。
【０００６】
上記の液面レベルセンサにおいては、前記容器において、高さ方向に略直交する２つの軸のそれぞれに沿って、少なくとも３組の前記電極を配置したことが好ましい。
このような液面レベルセンサは、少なくとも３組の電極が容器の液面を測定可能に配置されると共に、容器の異なる２軸に振り分けて配置されるので、液面レベルや、容器の傾きを正確に検出できる。
【０００７】
上記の液面レベルセンサにおいては、前記駆動信号発振器は、周波数の大きい搬送波を発振する搬送波発振器と、前記搬送波よりも周波数の小さい変調波を発振する変調波発振器と、前記搬送波に前記変調波を重畳する変調器とを有し、前記変調波を、前記電極の組ごとに異ならせることが好ましい。
この液面レベルセンサは、高周波を印加するようにしたので、高周波の伝播を利用して液面レベルによって変化する電極間の電気特性を測定することができる。このため、ノイズに対して強く、分解能も向上する。
【０００８】
上記の液面レベルセンサにおいては、前記電極は、周波数の異なる信号が入力される測定信号供給電極と、駆動電極との間で液面の高さに応じて変化する電気特性を測定する測定電極と、電気特性の参照値を測定する参照電極とを含み、前記参照電極は、その先端部分を除いた部分であって、少なくとも液体に浸漬され得る部分が電磁的にシールドされていることが好ましい。
この液面レベルセンサでは、参照電極の一部が電磁的にシールドされるので、参照電極のうちシールドされている部分は、測定電極や、測定信号供給電極と静電的な結合を起こさない。この液面レベルセンサでは、駆動電極と測定電極との間の電気特性と、参照電極においてシールドされない部分で測定する電気特性とから、液面レベルが測定される。
【０００９】
上記の液面レベルセンサにおいては、複数組の前記電極と、前記参照電極のシールドとを防水性の絶縁フィルムで覆ったことが好ましい。
このような液面レベルセンサでは、導電性の各電極及びシールドと、液体との接触を防止できる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、各組の電極ごとに異なる周波数の信号を与えることにより、電極間のクロストークを防止することができる。したがって、液面レベルや、容器の傾斜を精度良く測定できる。また、３組以上の電極を、容器の直交する軸に振り分けて配置すると、さらに測定精度を向上させることができる。そして、参照電極の一部を電磁的にシールドすると、さらに測定精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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４つのセンサ部２，３，４，５と、各センサ部２，３，４，５に電気的に接続される測定回路６とを有している。
【００１２】
４つのセンサ部２，３，４，５は、容器１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に沿って、互いに所定の距離を置いて取り付けられている。さらに、センサ部２とセンサ部４とは、軸線Ｃ１及び軸線Ｃ２のそれぞれに略直交する軸線Ｃ３に沿って、互いに所定の距離を置いて取り付けられている。同様に、センサ部３とセンサ部５とは、軸線Ｃ３に沿って、互いに所定の距離を置いて取り付けられている。なお、センサ部４とセンサ部５とは、軸線Ｃ２に沿って、互いに所定の距離を置いて取り付けられている。
【００１３】
次に、各センサ部２，３，４，５の構成について説明する。なお、各センサ部２，３，４，５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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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及び各シールド電極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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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４１と、センサ部３に接続される第二測定回路４２と、センサ部４に接続される第三測定回路４３と、センサ部５に接続される第四測定回路４４とを有する。
【００２２】
図４に示すように、第一測定回路４１は、駆動電極１３に接続される駆動信号発振器５１と、参照電極１５及び測定電極１２にそれぞれ接続される電流‐電圧コンバータ５２及び電流‐電圧コンバータ５３と、各電流‐電圧コンバータ５２，５３に直列に接続される各アナログスイッチ５４，５５、各ローパスフィルタ５６，５７、差動増幅回路５８を有している。
駆動信号発振器５１は、３つのインバータ６１，６２，６３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６４と、インバータ６１の入力端及びインバータ６２の出力端に接続されたコンデンサ６５とを有している。そして、直列回路の出力端は、３つのインバータ６６，６７，６８に並列に接続されている。各インバータ６６，６７，６８の出力端は、駆動電極１３と、各アナログスイッチ５４，５５のコントロール端子とに接続されている。なお、駆動信号発振器５１と各アナログスイッチ５４，５５との間には、コンデンサ６９が介挿されている。
【００２３】
電流‐電圧コンバータ５２は、オペアンプ７０を有している。オペアンプ７０の反転入力端子は、参照電極１５に接続されている。非反転入力端子は、接地接続された抵抗７１に接続されている。このオペアンプ７０の出力端子と反転入力端子とは、抵抗７２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７０の出力端子は、接地接続された抵抗７３と、アナログスイッチ５４とに接続されている。
電流‐電圧コンバータ５３は、オペアンプ７４を有している。オペアンプ７４の反転入力端子は、測定電極１２に接続されている。非反転入力端子は、接地接続された抵抗７５に接続されている。このオペアンプ７４の出力端子と反転入力端子とは、抵抗７６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７４の出力端子は、接地接続された抵抗７７と、アナログスイッチ５５とに接続されている。
【００２４】
ローパスフィルタ５６は、アナログスイッチ５４に一端が接続された抵抗７８及び抵抗７９を有し、抵抗７９の他端にはコンデンサ８０が接続されている。なお、抵抗７８及びコンデンサ８０は、接地接続されている。
ローパスフィルタ５７は、アナログスイッチ５５に一端が接続された抵抗８１及び抵抗８２を有し、抵抗８２の他端にはコンデンサ８３が接続されている。なお、抵抗８１及びコンデンサ８３は、接地接続されている。
【００２５】
差動増幅回路５８は、増幅用の各オペアンプ８４，８５と、差動増幅用のオペアンプ８６と、増幅用のオペアンプ８７とから主に構成されている。
オペアンプ８４の非反転入力端子は、参照電極１５側のローパスフィルタ５６に接続されている。このオペアンプ８４の出力端子と反転入力端子との間には、負帰還ループが形成されている。さらに、出力端子は、抵抗８８を介してオペアンプ８６の反転入力端子に接続されている。同様に、オペアンプ８５の非反転入力端子は、測定電極１２側のローパスフィルタ５７に接続されている。このオペアンプ８５も負帰還ループを有し、出力端子は抵抗８９の一端に接続されている。抵抗８９の他端は、オペアンプ８６の非反転入力端子と、抵抗９０に接続されている。この抵抗９０は、可変抵抗９１を介して接地接続されている。オペアンプ８６の出力端子は、コンデンサ９２と、抵抗９３と、抵抗９４とに接続されている。コンデンサ９２、抵抗９３は、それぞれオペアンプ８６の反転入力端子に接続されている。抵抗９４は、オペアンプ８７の反転入力端子に接続されている。オペアンプ８７の非反転入力端子は、接地接続された抵抗９５に接続されている。オペアンプ８７の出力端子は、コンデンサ９６と、抵抗９７と、不図示の他の制御回路とに接続されている。コンデンサ９６、抵抗９７は、それぞれオペアンプ８７の反転入力端子に接続されている。なお、各電流‐電圧コンバータ５２，５３と、各アナログスイッチ５４，５５と、ローバスフィルタ５６，５７と、増幅用のオペアンプ８４，８５は、測定電極１２側と、参照電極１５側とで、同じ処理を行う回路になっている。
【００２６】
このような構成の第一測定回路４１は、駆動信号発振器５１において、所定の周波数、例えば、１３．３６ｋＨｚの交流信号を発振する。そして、この交流信号に基づいて測定電極１２及び参照電極１５のそれぞれで発生する受信電圧に基づく信号の差に応じた出力を発生させる。
第二測定回路４２は、第一測定回路４１と同じ回路構成を有している。ただし、第二測定回路４２の駆動信号発振器５１は、第一測定回路４１とは異なる周波数、例えば、１２．４９ｋＨｚの交流信号を発振する。
同様に、第三測定回路４３及び第四測定回路４４も、第一測定回路４１と同じ回路構成を有している。そして、第三測定回路４３は、例えば、１１．６５ｋＨｚの交流信号を発振する。第四測定回路４４は、例えば、９．３９ｋＨｚの交流信号を発振する。
【００２７】
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。
第一測定回路４１の駆動信号発振器５１は、１３．３６ｋＨｚの交流信号をセンサ部２の駆動電極１３に入力する。駆動電極１３に入力された交流信号は、空気及び液体を媒体として、センサ部２の測定電極１２及び参照電極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、測定回路６の電流‐電圧コンバータ５２に入力される。また、参照用測定部２５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。この受信電圧が、測定回路６の電流‐電圧コンバータ５３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。
【００２８】
各電流‐電圧コンバータ５２，５３は、それぞれの受信信号の大きさに応じた交流電圧を発生し、各アナログスイッチ５４，５５に出力する。各アナログスイッチ５４，５５では、コンデンサ６９によって位相が調整された交流信号に基づいて同期検波が行われる。そして、各アナログスイッチ５４，５５で同期検波された信号は、各ローパスフィルタ５６，５７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５８に入力され、増幅された後に、測定電極１２の信号から、参照値となる参照電極１３の信号を減じた差に比例した信号が出力される。
【００２９】
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。
【００３０】
同様にして、センサ部３と、センサ部４と、センサ部５とにおいても、周波数が互いに異なる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、容器１が水平状態である場合には、各センサ部２，３，４，５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、各センサ部２，３，４，５ごとに異なるセンサ出力が得られる。この場合には、センサ出力、つまり液面レベルの値と各センサ部２，３，４，５の位置とに基づいて所定の計算を行うと、容器１の傾斜角度を算出することができる。
【００３１】
この実施の形態によれば、複数のセンサ部２，３，４，５を備える場合に、各センサ部２，３，４，５に入力する交流信号を、互いに異なる周波数にしたので、各センサ部２，３，４，５間のクロストークを防止できる。したがって、複数箇所の液面レベルを精度良く測定できる。なお、周波数は、高調波の発生による干渉を防止するために、整数倍以外の値を設定することが好ましい。
また、複数のセンサ部２，３，４，５を備えることで、それぞれのセンサ出力から容器１の傾斜角度を算出することが可能になる。ここにおいて、センサ部２とセンサ部３とを軸線Ｃ２に沿って配置し、センサ部２とセンサ部４、又はセンサ部３とセンサ部５とを軸線Ｃ３に沿って配置したので、傾斜角度を確実に検出することが可能になる。
【００３２】
さらに、参照電極１５のうち、参照用の静電容量を測定する部分だけを露出し、液体に浸漬される他の部分（図２において拡幅部分２１よりも下側）をシールドしたので、レファレンスとして用いる静電容量を精度良く測定できる。さらに、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を吸水率の小さい各フィルム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。
【００３３】
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。
【００３４】
さらに、液面レベルセンサは、レファレンスの静電容量を精度良く測定できるので、基準位置ｈ０を確実に検出することができる。また、液面レベルセンサの出力から、液面レベルと基準位置ｈ０の比が容易に演算できる。このため、液面レベルが基準位置ｈ０に達したら（前記の比が１に相当）、警告を発するような制御が可能になる。また、液面レベルセンサを廃液などの貯蔵タンクに取り付ける際には、液面レベルが所定位置に達したことを、センサ出力の値から容易に判定できるので、タンクが満杯になる前に警告を発するような制御が可能になる。
【００３５】
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、複数組の電極に入力する交流信号として、振幅変調した信号を用いることを特徴とする。
【００３６】
図５に示すように、液面レベルセンサは、各センサ部２，３，４，５と、各センサ部２，３，４，５に接続される測定回路１００とを含む。さらに、測定回路１００は、第一測定回路１０１と、第二測定回路１０２と、第三測定回路１０３と、第四測定回路１０４とからなる。なお、各センサ部２，３，４，５は、図２及び図３に示す構成を有している。
【００３７】
第一測定回路１０１は、変調波発振器１１１と、搬送波発振器１１２と、変調器１１３と、位相調整器１１４と、復調器１１５と、差動増幅器１１６とを備えている。
変調波発振器１１１は、数ｋＨｚの変調波を発生させるもので、変調器１１３に接続されている。搬送波発振器１１２は、変調波よりも高い周波数、例えば、数ＭＨｚの搬送波を発生させるもので、変調器１１３と、位相調整器１１４とに接続されている。変調器１１３は、搬送波に変調波を重畳し、駆動電極１３に入力する。なお、変調波発振器１１１と、搬送波発振器１１２と、変調器１１３とが、駆動信号発振器を構成する。
また、復調器１１５は、測定電極１２に接続された同期検波器１１７と、参照電極１５に接続された同期検波器１１８とを有している。各同期検波器１１７，１１８は、各電極１２，１５から入力される信号の強度が十分に大きいときには、ダイオードとローバスフィルタから構成される。一方、信号の強度が小さいときには、直線性に優れる公知の同期検波回路が用いられる。さらに、各同期検波器１１７，１１８には、位相調整器１１４を介して搬送波が入力される。また、各同期検波器１１７，１１８の出力は、差動増幅器１１６に接続されている。差動増幅器１１６は、オペアンプを含んで構成されている。
【００３８】
第二測定回路１０２、第三測定回路１０３、第四測定回路１０４は、共に第一測定回路１０１と同じ回路構成を有している。ただし、変調波発振器１１１は、各測定回路１０１，１０２，１０３，１０４で異なる周波数の変調波を発振させる。
【００３９】
この液面レベルセンサで、容器１の液面レベルを測定する際には、所定の搬送波に、各測定回路１０１，１０２，１０３，１０４において、異なる変調波を重畳した高周波信号を発生させ、この高周波信号をそれぞれのセンサ部２，３，４，５の駆動電極１３に入力する。各駆動電極１３からは、測定電極１２と、参照電極１５の参照用測定部２５とに高周波信号が伝播される。そして、測定電極１２には、先端１２ａから液面までの距離に比例した高周波の受信信号が発生する。一方、参照電極１５には、先端１５ａから参照用測定部２５の長さに応じた高周波の受信信号が発生する。どちらの受信信号も、復調器１１５に入力され、同期検波される。これにより、復調器１１５からは、搬送波が除去されて、数ｋＨｚレベルの交流信号が出力される。そして、差動増幅器１１６は、同期検波した測定電極１２側の信号から、同期検波した参照電極１５側の信号を減じ、その差に比例した信号を出力する。
【００４０】
この実施の形態によれば、各電極１２，１３，１５に高い周波数の信号を印加するので、静電容量の変化が小さい場合であっても、分解能を高くすることができる。さらに、ノイズに対して強くなり、Ｓ／Ｎ比を良好にすることができる。ここにおいて、復調器１１５によって、周波数を数ｋＨｚ程度まで落とすことで、差動増幅器１１６をオペアンプなどの汎用部品から構成することが可能になり、かつ高精度な信号処理を実現できる。
また、複数のセンサ部２，３，４，５を有するので、液面レベルを精度良く測定できる。さらに、容器１の傾斜角度を算出することもできる。
【００４１】
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、複数組の電極に入力する交流信号として、無変調の高周波を用いることを特徴とする。
【００４２】
図６に示すように、液面レベルセンサは、各センサ部２，３，４，５と、各センサ部２，３，４，５に接続される測定回路１２０とを含む。さらに、測定回路１２０は、第一測定回路１２１と、第二測定回路１２２と、第三測定回路１２３と、第四測定回路１２４とからなる。なお、各センサ部２，３，４，５は、図２及び図３に示すような構成を有している。
第一測定回路１２１は、駆動信号発振器である搬送波発振器１３１と、復調器１３２と、局部発振器１３３と、差動増幅器１３４とを有している。搬送波発振器１３１は、駆動電極１３に印加する高周波（例えば、周波数が数十ＭＨｚ）を発生する。復調器１３２は、測定電極１２に接続された乗算器１３５と、参照電極１５に接続された乗算器１３６とからなる。また、各乗算器１３５，１３６には、局部発振器１３３で発生させた所定の高周波が入力されるようになっている。局部発振器１３３は、搬送波と数ｋＨｚだけ異なる高周波を発生させる。差動増幅器１３４は、各乗算器１３５，１３６のそれぞれに接続されており、オペアンプを含んで構成されている。
【００４３】
第二測定回路１２２、第三測定回路１２３、第四測定回路１２４は、共に第一測定回路１２１と同じ回路構成を有している。ただし、搬送波発振器１３１は、各測定回路１２１，１２２，１２３，１２４で異なる周波数の変調波を発振させる。
【００４４】
この液面レベルセンサで、容器１の液面レベルを測定する際には、各測定回路１０１，１０２，１０３，１０４において、周波数の異なる高周波を発生させる。この高周波は、駆動電極１３から放射されて、測定電極１２と、参照電極１５の参照用測定部２５とに伝播する。各電極１２，１５で発生した受信信号は、復調器１３２に入力され、局部発振器１３３で発生させた高周波を利用して乗算処理が行われる。例えば、搬送波が１０ＭＨｚで、局部発振器１３３で発生させた信号が９．９９９ＭＨｚであれば、周波数変換によって、１ｋＨｚの信号が差動増幅器１３４に出力される。そして、差動増幅器１３４は、乗算処理した測定電極１２側の信号から、乗算処理した参照電極１５側の信号を減じ、その差に比例した信号を出力する。
【００４５】
この実施の形態によれば、各電極１２，１３，１５に高い周波数の信号を印加するので、静電容量の変化が小さい場合であっても、分解能を高くすることができる。さらに、ノイズに対して強くなり、Ｓ／Ｎ比を良好にすることができる。また、高周波を振幅変調しないので、駆動電極１３に印加する信号を生成する回路の構成を簡略化できる。ここにおいて、復調器１３２によって、周波数を数ｋＨｚ程度まで落とすことで、差動増幅器１３４をオペアンプなどの汎用部品から構成することが可能になり、かつ高精度な信号処理を実現している。
また、複数のセンサ部２，３，４，５を有するので、液面レベルを精度良く測定できる。さらに、容器１の傾斜角度を算出することもできる。
【００４６】
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。
さらに、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。
また、各センサ部２，３，４，５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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態における液面レベルセンサの全体構成図である。
【図２】液面レベルセンサのセンサ部を示す図である。
【図３】液面レベルセンサのセンサ部の分解斜視図である。
【図４】測定回路の一部の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における液面レベルセンサの構成図である。
【図６】本発明の実施の形態における液面レベルセンサの構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    容器
２，３，４，５    センサ部
６，１００，１２０    測定回路
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（測定信号供給電極）
１４    第一シールド電極（シールド）
１５    参照電極
１６    第二シールド電極（シールド）
２５    参照用測定部
５１    駆動信号発振器
１１１    変調波発振器（駆動信号発振器）
１１２    搬送波発振器（駆動信号発振器）
１１３    変調器（駆動信号発振器）
１３１    搬送波発振器（駆動信号発振器）
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３    軸線
ｈ０    基準位置
【図１】
2005172757.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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