(57)【要約】【課題】誘電率の異なる液体に対しても安定した液面レベル検知が可能な静電容量式液面レベルセンサを提供すること。【解決手段】静電容量式液面レベルセンサ１０は、各々が液面レベルに対応して変化する静電容量を有し、静電容量の比も液面レベルに対応して変化する第１および第２のセンサ素子１２，１３を備えている。それにより、静電容量の比に基づいて、誘電率の異なる液体に対しても、誘電率に影響を受けずに安定した液面レベル検出を行うことができる。【選択図】図１
2007298362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量により液体の液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサであって、
各々が前記液面レベルに対応して変化する静電容量を有し、前記静電容量の比も前記液面レベルに対応して変化する第１および第２のセンサ素子を備えている
ことを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
【請求項２】
請求項１記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、前記液面レベルに対応して異なる変化率で増加すると共に、検出可能な最大液面レベルで一致する静電容量を有することを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
【請求項３】
請求項２記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
前記静電容量式液面レベルセンサは、支持基板と、前記支持基板の一方の面に配置された前記第１のセンサ素子と、前記支持基板の他方の面に配置された前記第２のセンサ素子とを有し、
前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、平板状に形成された信号電極および接地電極と、前記信号電極および接地電極の極板間にセンサ長手方向の一端から他端に向かう方向に次第に幅が狭くなる空隙を生じるように配置された誘電体とからなる積層構造を有し、
前記第２のセンサ素子の前記空隙は、前記第１のセンサ素子の前記空隙と逆方向に次第に幅が狭くなっている
ことを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
【請求項４】
請求項３記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
前記誘電体は、センサ長手方向に対して９０°以外の角度を有してセンサ幅を横切る一定幅の空隙が間隔をおいて複数生じるように配置され、
前記複数の空隙は、その一定幅がセンサ長手方向の一端から他端に向かう方向に次第に狭くなるように設定されている
ことを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
【請求項５】
請求項３記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
前記誘電体は、センサ長手方向の一端から他端にかけて対角線を引くように次第に幅が狭くなる空隙を生じるように配置されていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ支持基板の表裏に配置されていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、
前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、支持基板の同一面に配置されていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量式液面レベルセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３は、従来の静電容量式液面レベルセンサの構成例を示す斜視図である。静電容量式液面レベルセンサ１は、絶縁性基板２と、基板２の主面に配置された一対の電極３ａ，３ｂとを備えている。一対の電極３ａ，３ｂは、それぞれターミナル部４と検出部５とを有している。検出部５は、ターミナル部４から延びる本体部６と、本体部６に等間隔にかつ直交して設けられた複数の直交部７とを有している。液面レベルの上昇に伴い、電極間静電容量が増加し、その値をターミナル部４から検出することで液面レベルを出力する。このセンサの特徴として、電極３ａ，３ｂに複数の直交部７を持つことがあげられる。液面が各直交部７に到達すると、電極３ａ，３ｂ間の静電容量が大きく変化するので、液面検出が容易である（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０５−１１８８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の構成を有する静電容量式液面レベルセンサは、同一平面に配置されたパターン間の容量を検出するセンサであり、実質的に対向する極板面積は小さく、液面レベルに対するセンサ容量変化も小さい。よって、誘電率が低い溶液などの液面レベル検出は困難である。したがって、誘電率の異なる液体の液面レベル検出を考慮した場合、誘電率が低い液体の液面レベル検出時には、センサが接続される検出回路部分での補正が必要とされる。
【０００４】
また、この静電容量式液面レベルセンサは、リファレンスセンサ部を持っていないため、検出した値そのままが液面レベルとなる問題がある。この場合、溶液の誘電率、電極の状態など外的要因により測定値は変化するため、常に信頼性のある容量検出をすることが難しい。
【０００５】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、誘電率の異なる液体に対しても安定した液面レベル検知が可能な静電容量式液面レベルセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、静電容量により液体の液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサであって、各々が前記液面レベルに対応して変化する静電容量を有し、前記静電容量の比も前記液面レベルに対応して変化する第１および第２のセンサ素子を備えていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサに存する。
【０００７】
請求項１記載の発明においては、静電容量式液面レベルセンサは、各々が液面レベルに対応して変化する静電容量を有し、静電容量の比も液面レベルに対応して変化する第１および第２のセンサ素子を備えている。それにより、静電容量の比に基づいて、誘電率の異なる液体に対しても、誘電率に影響を受けずに安定した液面レベル検出を行うことができる。
【０００８】
上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、請求項１記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、前記液面レベルに対応して異なる変化率で増加すると共に、検出可能な最大液面レベルで一致する静電容量を有することを特徴とする静電容量式液面レベルセンサに存する。
【０００９】
請求項２記載の発明においては、第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、液面レベルに対応して異なる変化率で増加すると共に、検出可能な最大液面レベルで一致する静電容量を有する。それにより、検出可能な最大液面レベルまで静電容量の比が液面レベルに対応して変化し、液面レベルを感度良く検出することができる。
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、前記静電容量式液面レベルセンサは、支持基板と、前記支持基板の一方の面に配置された前記第１のセンサ素子と、前記支持基板の他方の面に配置された前記第２のセンサ素子とを有し、前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、平板状に形成された信号電極および接地電極と、前記信号電極および接地電極の極板間にセンサ長手方向の一端から他端に向かう方向に次第に幅が狭くなる空隙を生じるように配置された誘電体とからなる積層構造を有し、前記第２のセンサ素子の前記空隙は、前記第１のセンサ素子の前記空隙と逆方向に次第に幅が狭くなっていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサに存する。
【００１１】
請求項３記載の発明においては、静電容量式液面レベルセンサは、支持基板と、支持基板の一方の面に配置された第１のセンサ素子と、支持基板の他方の面に配置された第２のセンサ素子とを有し、第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、平板状に形成された信号電極および接地電極と、信号電極および接地電極の極板間にセンサ長手方向の一端から他端に向かう方向に次第に幅が狭くなる空隙を生じるように配置された誘電体とからなる積層構造を有し、第２のセンサ素子の前記空隙は、第１のセンサ素子の前記空隙と逆方向に次第に幅が狭くなっている。それにより、第１および第２のセンサ素子の静電容量の比を大きくすることができ、液面レベルの検出精度を高めることができる。
【００１２】
上記課題を解決するためになされた請求項４記載の発明は、請求項３記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、前記誘電体は、センサ長手方向に対して９０°以外の角度を有してセンサ幅を横切る一定幅の空隙が間隔をおいて複数生じるように配置され、前記複数の空隙は、その一定幅がセンサ長手方向の一端から他端に向かう方向に次第に狭くなるように設定されていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサに存する。
【００１３】
請求項４記載の発明においては、誘電体は、センサ長手方向に対して９０°以外の角度を有してセンサ幅を横切る一定幅の空隙が間隔をおいて複数生じるように配置され、複数の空隙は、その一定幅がセンサ長手方向の一端から他端に向かう方向に次第に狭くなるように設定されている。それにより、第１および第２の静電容量変化と静電容量の比とを液面レベルの関数にすることができる。
【００１４】
上記課題を解決するためになされた請求項５記載の発明は、請求項３記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、前記誘電体は、センサ長手方向の一端から他端にかけて対角線を引くように次第に幅が狭くなる空隙を生じるように配置されていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサに存する。
【００１５】
請求項５記載の発明においては、誘電体は、センサ長手方向の一端から他端にかけて対角線を引くように次第に幅が狭くなる空隙を生じるように配置されている。それにより、第１および第２の静電容量変化と静電容量の比とを液面レベルの関数にすることができる。
【００１６】
上記課題を解決するためになされた請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ支持基板の表裏に配置されていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサに存する。
【００１７】
請求項６記載の発明においては、第１および第２のセンサ素子は、それぞれ支持基板の表裏に配置されている。それにより、静電容量式液面レベルセンサ全体の幅が小さくなり省スペースでコンパクトなセンサが実現できる。
【００１８】
上記課題を解決するためになされた請求項７記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の静電容量式液面レベルセンサにおいて、前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、支持基板の同一面に配置されていることを特徴とする静電容量式液面レベルセンサに存する。
【００１９】
請求項７記載の発明においては、第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、支持基板の同一面に配置されている。それにより、静電容量式液面レベルセンサの厚みが薄くなり、センサの厚みが問題となる取り付け環境の場合に好適なセンサが実現できる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１記載の発明によれば、静電容量により液体の液面レベルを検出する静電容量式液面レベルセンサであって、各々が液面レベルに対応して変化する静電容量を有し、静電容量の比も液面レベルに対応して変化する第１および第２のセンサ素子を備えているので、静電容量の比に基づいて、誘電率の異なる液体に対しても、誘電率に影響を受けずに安定した液面レベル検出を行うことができる。
【００２１】
請求項２記載の発明によれば、前記第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、前記液面レベルに対応して異なる変化率で増加すると共に、検出可能な最大液面レベルで一致する静電容量を有するので、検出可能な最大液面レベルまで静電容量の比が液面レベルに対応して変化し、液面レベルを感度良く検出することができる。
【００２２】
請求項３記載の発明によれば、静電容量式液面レベルセンサは、支持基板と、支持基板の一方の面に配置された第１のセンサ素子と、支持基板の他方の面に配置された前記第２のセンサ素子とを有し、第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、平板状に形成された信号電極および接地電極と、信号電極および接地電極の極板間にセンサ長手方向の一端から他端に向かう方向に次第に幅が狭くなる空隙を生じるように配置された誘電体とからなる積層構造を有し、第２のセンサ素子の空隙は、第１のセンサ素子の空隙と逆方向に次第に幅が狭くなっているので、第１および第２のセンサ素子の静電容量の比を大きくすることができ、液面レベルの検出精度を高めることができる。
【００２３】
請求項４記載の発明によれば、誘電体は、センサ長手方向に対して９０°以外の角度を有してセンサ幅を横切る一定幅の空隙が間隔をおいて複数生じるように配置され、複数の空隙は、その一定幅がセンサ長手方向の一端から他端に向かう方向に次第に狭くなるように設定されているので、第１および第２の静電容量変化と静電容量の比とを液面レベルの関数にすることができる。
【００２４】
請求項５記載の発明によれば、誘電体は、センサ長手方向の一端から他端にかけて対角線を引くように次第に幅が狭くなる空隙を生じるように配置されているので、第１および第２の静電容量変化と静電容量の比とを液面レベルの関数にすることができる。
【００２５】
請求項６記載の発明によれば、第１および第２のセンサ素子は、それぞれ支持基板の表裏に配置されているので、静電容量式液面レベルセンサ全体の幅が小さくなり省スペースでコンパクトなセンサが実現できる。
【００２６】
請求項７記載の発明によれば、第１および第２のセンサ素子は、それぞれ、支持基板の同一面に配置されているので、静電容量式液面レベルセンサの厚みが薄くなり、センサの厚みが問題となる取り付け環境の場合に好適なセンサが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態にかかる静電容量式液面レベルセンサについて図面を参照して説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）図１は、本発明に係る静電容量式液面レベルセンサの第１の実施形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は主センサの斜視図、（Ｃ）はリファレンスセンサの斜視図である。
【００２９】
静電容量式液面レベルセンサ１０は、絶縁体からなる支持基板１１と、この支持基板１１の一面に配置された主センサ１２と、他面に配置されたリファレンスセンサ１３とから構成される。主センサ１２は、請求項における第１のセンサ素子に相当し、リファレンスセンサ１３は、請求項における第２のセンサ素子に相当する。
【００３０】
主センサ１２は、信号電極１２１と接地電極１２３間に誘電体１２２を配置した積層構造を有する。すなわち、主センサ１２は、細長い板状の導電体からなる信号電極１２１と、信号電極１２１と同一形状および同一寸法の導電体からなる接地電極１２３と、信号電極１２１および接地電極１２３間に配置された複数の誘電体片１２２1 〜１２２n （図１では、たとえばｎ＝８個）からなる誘電体１２２とが積層された構造を有する。誘電体１２２は、その誘電率が液面レベルを測定する液体の誘電率よりも比較的小さな材料（好適には、十分小さな材料）を用いる。なお、図１（Ｂ）では、信号電極１２１が省略されている。
【００３１】
複数の誘電体片１２２1 〜１２２n は、両端の誘電体片１２２1 および１２２n を除いてほぼ平行四辺形（上面から見た場合）の形状とされており、それぞれの間に、センサの長手方向に対してある角度（９０°を除く）を有してセンサ幅を横切る一定幅の空隙１２４1 〜１２４n-1 が生じるように配置されている。また、複数の空隙１２４1 〜１２４n-1 は、その一定幅がセンサ長手方向の一端（図１（Ｂ）の左側端部）から他端（同図の右側端部）に向かう方向に次第に広くなるように設定されている。さらに、複数の誘電体片１２２1 〜１２２n は、それらの配置後の全体外形が、ほぼ信号電極１２１および接地電極１２３の外形とほぼ同一にされている。
【００３２】
リファレンスセンサ１３は、主センサ１２と同様の積層構造を有する。すなわち、リファレンスセンサ１３は、信号電極１３１と接地電極１３３間に誘電体１３２を配置した積層構造を有する。リファレンスセンサ１３は、細長い板状の導電体からなる信号電極１３１と、信号電極１３１と同一形状および同一寸法の導電体からなる接地電極１３３と、信号電極１３１および接地電極１３３間に配置された複数の誘電体片１３２1 〜１３２n からなる誘電体１３２とが積層された構造を有する。誘電体１３２は、誘電体１２２と同じ材料を用いる。なお、図１（Ｃ）では、信号電極１３１が省略されている。
【００３３】
複数の誘電体片１３２1 〜１３２n は、両端の誘電体片１３２1 および１３２n を除いてほぼ平行四辺形（上面から見た場合）の形状とされており、それぞれの間に、センサの長手方向に対して上述の空隙１２４1 〜１２４n-1 と同じ角度を有してセンサ幅を横切る一定幅の空隙１３４1 〜１３４n-1 が生じるように配置されている。また、複数の空隙１３４1 〜１３４n-1 は、その一定幅がセンサ長手方向の一端（図１（Ｃ）の左側端部）から他端（同図の右側端部）に向かう方向に次第に広くなるように設定されている。さらに、また、複数の誘電体片１３２1 〜１３２n は、それらの配置後の全体外形が、ほぼ信号電極１３１および接地電極１３３の外形とほぼ同一にされている。
【００３４】
主センサ１２とリファレンスセンサ１３は、主センサ１２における誘電体片１２２1 およびリファレンスセンサ１３の誘電体片１３２1 が、支持基板１１の一方の端部の表側および裏側で同一位置となり、誘電体片１２２n および誘電体片１３２n が、支持基板１１の他方の表側および裏側で同一位置となるように、支持基板１１上に配置されている。また、主センサ１２の空隙１２４1 〜１２４n-1 とリファレンスセンサ１３の空隙１３４1 〜１３４n-1 は、それぞれ、次第に広くなる度合いと次第に狭くなる度合いがちょうど逆の関係で同一になっている。
【００３５】
図１の静電容量式液面レベルセンサ１１は、上から１２１、１２２、１２３、１１、１３３、１３２および１３１の７層を有する積層構造となり、導電体および誘電体の形状を加工して、導電体１２１、１２３、１３１および１３３の４つの導電体層を有する４層基板として作成するか、または、同様に導電体および誘電体の形状を加工して、導電体１２３および１３３と誘電体１１を有する両面プリント基板と、誘電体１２２および導電体１２１を有する片面プリント基板と、誘電体１３２および導電体１３１を有する片面プリント基板との３枚の基板を接着剤等で貼り合わせて作成することができる。
【００３６】
主センサ１２およびリファレンスセンサ１３は、上述の構造により、液面レベル検出回路に用いられた場合、たとえば、液面レベルを検出すべき液体が充填されたタンク内において静電容量式液面レベルセンサ１０の一方の端部（誘電体片１２２1 が配置されている側の端部）がタンク底部に接して、ほぼ垂直になるように立設される。主センサ１２は、極板間、すなわち空隙１２４1 〜１２４n-1 に満たされる液体により、静電容量Ｃｐが液面レベルによって変化するセンサとして働く。また、リファレンスセンサ１３は、同様に、板間、すなわち空隙１３４1 〜１３４n-1 に満たされる液体により、静電容量Ｃｒが液面レベルによって変化するセンサとして働く。
【００３７】
図２は、液面レベルに対する、主センサ１２およびリファレンスセンサ１３の静電容量ＣｐおよびＣｒに対応する出力電圧Ｖ１２およびＶ１３の関係を示す特性図である。図２から分かるように、主センサ１２の出力電圧Ｖ１２は、液面レベルの増加にしたがって急激に増加して次第に緩やかに変化する特性となる。また、リファレンスセンサ１３の出力電圧Ｖ１３は、液面レベルの増加にしたがって緩やかに増加して次第に急激に変化する特性となる。すなわち、主センサ１２とリファレンスセンサ１３は、液面レベルの変化に対する出力電圧の変化（言い換えると、静電容量の変化）が互いに逆関数となる特性を有するセンサである。そして、同じ液面レベルに対する主センサ１２の出力電圧Ｖ１２とリファレンスセンサ１３の出力電圧Ｖ１３の比（すなわち、静電容量ＣｐとＣｒの比）も、液面レベルの関数となる値になる。
【００３８】
図２から分かるように、主センサ１２とリファレンスセンサ１３は、それぞれ、液面レベルに対応して異なる変化率で増加すると共に、検出可能な最大液面レベルで一致する静電容量を有する。それにより、検出可能な最大液面レベルまで静電容量の比が液面レベルに対応して変化し、液面レベルを感度良く検出することができる。
【００３９】
次に、図３は、図１の静電容量式液面レベルセンサ１０を用いた液面レベル検出回路の構成例を示す図である。この例では、液面レベルの変化を、主センサ１２およびリファレンスセンサ１３の静電容量変化に基づく発振器の発振周波数の変化として検出している。
【００４０】
図３において、液面レベル検出回路２０は、発振器２１および２２と、積分回路２３および２４と、ダイオード２５および２６と、演算処理部２７と、メモリ２８と、表示部２９とから構成される。発振器２１は、主センサ１２の静電容量Ｃｐの変化によりその発振周波数が変化するＣＲ発振器である。また、発振器２２は、リファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒの変化によりその発振周波数が変化するＣＲ発振器である。演算処理部２７は、たとえばマイコンからなる。
【００４１】
次に、図３の液面レベル検出回路の動作を図４のフローチャートを参照して説明する。まず、主センサ１２およびリファレンスセンサ１３の液面レベルに対応する静電容量ＣｐおよびＣｒの測定が開始される（ステップＳ１）。すなわち、発振器２１および２２は、主センサ１２およびリファレンスセンサ１３の静電容量ＣｐおよびＣｒに対応した発振周波数で発振し、静電容量−周波数変換を行なう。
【００４２】
次に、積分回路２３および２４で、発振器２１および２２の発振出力を積分し、それぞれの発振周波数に対応した直流電圧に変換（周波数−電圧変換）する（ステップＳ２）。変換された直流電圧は、それぞれ、ダイオード２５および２６を介して演算処理部２７に供給される。
【００４３】
次に、演算処理部２７で、供給された直流電圧を液面レベル値に変換して出力する（ステップＳ３）。このステップＳ３の処理は、以下のステップＳ３１〜３３で行われる。まず、供給された直流電圧を測定し、測定電圧より、空気中における主センサ１２およびリファレンスセンサ１３のセンサ電圧値の差をそれぞれ出力する（ステップＳ３１）。すなわち、主センサ１２およびリファレンスセンサ１３は、液体に浸されていない状態でもある静電容量値を持っている。そこで、静電容量変化分から液面レベルを検出するため、予めメモリ２８に格納されている、センサ自体の上記静電容量値による電圧値と測定電圧の差分を求め、センサの静電容量変化分による電圧のみを算出する。
【００４４】
次に、ステップＳ３１で求めた主センサ１２における差分電圧とリファレンスセンサ１３における差分電圧の比を計算する（ステップＳ３２）。計算された比は、実際の液面レベルに対応して変化する値となる。この値は、比であるが故に、液面レベルを検出すべき液体の誘電率が変わってもその誘電率の影響を受けずに液面レベルを表す値である。
【００４５】
次に、ステップＳ３２で計算された比と、メモリ２８に予め格納されている比と液面レベルの換算式を用いて液面レベルを算出して出力する（ステップＳ３３）。
【００４６】
次に、上記ステップＳ３で算出された液面レベル値を表示部２９で表示する（ステップＳ４）。上記ステップＳ１〜Ｓ４を繰り返し、液面レベル変化に対応した表示を行う。
【００４７】
以上説明した本発明の第１の実施形態の特徴は以下の通りである。
（１）主センサ１２とリファレンスセンサ１３における空隙は、それぞれのセンサにおいて幅が小から大、大から小と逆の配列となることを特徴とする。検出する静電容量は、主センサ１２およびリファレンスセンサ１３のそれぞれの空隙の大小で変化する。誘電体１２２，１３２の空隙形状を変化させることで、空隙小の場合と大の場合の容量比を大きくし、比による液面レベル検出を容易にしている。比による液面レベル検出であるため、液面レベル検出をする溶液の誘電率には依存しないという利点がある。主センサ１２とリファレンスセンサ１３の静電容量比は、極板間の空隙幅で決定され、静電容量比と液面レベルの関係が明らかならば、あらゆる誘電率の液体の液面レベル検出が可能である。
（２）支持基板１１の表側に主センサ１２、裏側にリファレンスセンサ１３を配置し、主センサ１２とリファレンスセンサ１３が一体化しているため、主センサ１２のサイズのままで、リファレンスセンサ１３を含むセンサであり、小型で省スペースなセンサである。
【００４８】
次に、主センサ１２およびリファレンスセンサ１３のおける空隙の具体的設計例について説明する。
【００４９】
上述の比をＫとし、主センサ１２の静電容量をＣｐ、リファレンスセンサ１３の静電容量をＣｒ、主センサ１２の検出電圧（図３の検出回路における積分回路２３からダイオード２５を介して演算処理部２７に入力される電圧）をＶｐ、リファレンスセンサ１３の検出電圧（図３の検出回路における積分回路２４からダイオード２６を介して演算処理部２７に入力される電圧）をＶｒとすれば、
Ｋ＝Ｖｐ／Ｖｒ＝Ｃｐ／Ｃｒ・・・（１）
で表される。
【００５０】
静電容量式液面レベルセンサ１０自体の形状を含め、溶液が満たされる空間の誘電体片の平行四辺形の角度、間隔（空隙）、底辺長などのパラメータで静電容量の変化状態が異なり、定式化するのは実測からでないと困難である。そこで、何らかの試験用の溶液（液体）を使用してセンサ液面位置と比Ｋの関係を実測で記録する。記録した実測値から比液面レベルの換算式を定式化し、メモリ２８に格納する。
【００５１】
たとえば、図５に示すように、リファレンスセンサ１３の空隙１３４1 〜１３２n-1 を右上がりの角度を持たせると共に、図の水平方向から見て下の空隙（たとえば、１３４1 ）の右端がその上の次の空隙（たとえば、１３４2 ）の左端と一致するかまたは下の空隙（たとえば、１３４1 ）の右端付近がその上の次の空隙（たとえば、１３４2 ）の左端付近とオーバーラップするようにし、また、空隙１３４1 の幅を基準１とし、１３４2 の幅を１３４1 の２倍、１３４3 の幅を１３４1 の３倍、１３４n-1 の幅を１３４1 の（ｎ−１）倍のように設定する。
【００５２】
同様に、主センサ１２の空隙１２４1 〜１２２n-1 をリファレンスセンサ１３の同一角度で右上がりとすると共に、図の水平方向から見て下の空隙（たとえば、１２４1 ）の右端がその上の次の空隙（たとえば、１２４2 ）の左端と一致するかまたは下の空隙（たとえば、１２４1 ）の右端付近がその上の次の空隙（たとえば、１２４2 ）の左端付近とオーバーラップするようにし、また、空隙１２４1 の幅を空隙１３４1 と同じ幅の基準１とし、１２４2 の幅を１２４1 の１／２倍、１２４3 の幅を１２４1 の１／３倍、１２４n-1 の幅を１２４1 の１／（ｎ−１）倍のように設定する。
【００５３】
このように設定した場合は、リファレンスセンサ１３の空隙に、液体が１３４1 、１３４2 の順に満たされていくと、静電容量Ｃｒの変化は、図６（Ａ）の直線（太い実線で表す）に示すように、空隙１３４1 による変化量に対して、空隙１３４2 、１３４3 による変化がそれぞれ、２倍、３倍の変化量となる。たとえば、空隙１３４1 による静電容量Ｃｒの変化量ｙが液面レベルｘの関数、ｙ＝ｘ／２で表される場合、空隙１３４2 による変化量はｙ＝ｘで表され、空隙１３４3 による変化量はｙ＝３ｘ／２で表される。
【００５４】
同様に、空隙１３４1 の幅を空隙１２４1 と同じ幅の基準１とし、１３４2 の幅を１３４1 の２倍、１３４3 の幅を１３４1 の４倍のように、上の空隙の幅を下の空隙の２倍になるように設定した場合は、リファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒの変化は、図６（Ｂ）に示すように、空隙１３４1 による変化量に対して、空隙１３４2 、１３４3 による変化がそれぞれ、２倍、４倍の変化量となる。すなわち、空隙１３４1 による静電容量Ｃｒの変化量ｙが液面レベルｘの関数、ｙ＝ｘ／２で表される場合、空隙１３４2 による変化量はｙ＝ｘで表され、空隙１３４3 による変化量はｙ＝２ｘで表される。
【００５５】
これに対して、主センサ１２の静電容量Ｃｐの変化量は、リファレンスセンサ１３の関数式の逆関数で表されることになる。たとえば、図６（Ａ）の場合は、空隙１２４1 による静電容量Ｃｐの変化量はｙ＝２ｘで表され、空隙１２４2 による変化量はｙ＝ｘで表され、空隙１３４3 による変化量はｙ＝２ｘ／３で表される。
【００５６】
したがって、リファレンスセンサ１３の静電容量の変化量が、たとえば、当初ｙ＝ｘ／２のグラフのような緩やかな容量変化をするような関数を基準にして、空隙寸法を設計するとと共に、その逆関数で表されるように主センサ１２を設計すれば、上記の比Ｋは大きな値となり検出精度を高めることができる。
【００５７】
また、図６（Ａ）および（Ｂ）の直線（３本の太い実線で表す）に示される静電容量Ｃｒの変化は、たとえば図６（Ａ）および（Ｂ）の曲線（細い実線で表す）に示すように、ｙ＝ａｘn の高次関数式で近似して定式化することもできる。この場合、主センサ１２の静電容量Ｃｐの変化は、ｙ＝ａｘn の高次関数式の逆関数で近似して定式化される。
【００５８】
空隙１個の高さｈがセンサ全長Ｌに対して小さい場合は、測定容量変化において、空隙１個は、おおよそ測定上の１ポイントとしてとらえることができ、空隙底辺ライン寸法を、求める面積に合わせて変化させる。たとえば、リファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒの変化が、空隙１３４1 、１３４2 および１３４3 を通じてｙ＝ｘ2 の関数式で近似できる場合、図７に示すようにセンサ１３の長手方向に対する空隙の角度をθとすれば、リファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒは、
Ｃｒ＝ｙ＝ｘ2 ｔａｎθ×ｈ・・・（２）
で表される。
【００５９】
また、空隙１個の高さｈがセンサ全長Ｌに対して大きくなる場合（図６（Ｂ）のような場合）は、図８に示すように、それぞれの空隙１３４1 、１３４2 および１３４3 における高さを、それぞれ、ｈ１，ｈ２，ｈ３とすれば、リファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒは、それぞれの空隙における直線の容量変化を捉えることになる。この場合、空隙底辺は、ｙ＝ｘ2 を微分したｙ′＝２ｘの傾き変化に合わせる。
【００６０】
そして、溶液の高さｘがそれぞれの空隙における空隙１３４1 にある（ｘ＜ｈ１）ときのリファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒは、
Ｃｒ＝ｔ×ｔａｎθ×ｘ＝Ｃ１・・・（３）
となる。ここで、ｔは空隙１３４1 の幅である。
【００６１】
また、溶液の高さｘが空隙１３４2 にある（ｈ１＜ｘ＜ｈ１＋ｈ２）ときのリファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒは、
Ｃｒ＝２ｔ×ｔａｎθ×（ｘ−ｈ１）＋Ｃ１＝Ｃ２・・・（４）
となる。
【００６２】
また、溶液の高さｘが空隙１３４3 にある（ｈ１＋ｈ２＜ｘ）ときのリファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒは、
Ｃｒ＝４ｔ×ｔａｎθ×（ｘ−ｈ１−ｈ２）＋Ｃ１＋Ｃ２＝Ｃ３・・・（５）
となる。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に図９は、本発明に係る静電容量式液面レベルセンサの第２の実施形態を示し、（Ａ）は表側の斜視図、（Ｂ）は裏側の斜視図である。静電容量式液面レベルセンサ１０は、図１に示す第１の実施形態とほぼ同一の構成を有し、誘電体１２２および１３２の形状が異なるのが相違点である。なお、図９（Ａ）では、信号電極１２１が省略され、図９（Ｂ）では、信号電極１３１が省略されている。
【００６４】
主センサ１２の誘電体１２２は、センサの長手方向の一方の端部（図示の左側端部）から他方の端部（図示の右側端部）にかけて次第に幅が直線的に狭くなる形状を有する。それにより、接地電極１２３と図示していない信号電極１２１の極板間に、センサ長手方向の一端（図示の右側端部）から他端（図示の左側端部）にかけて対角線を引くように次第に幅が狭くなる空隙１２４が生じる。
【００６５】
また、リファレンスセンサ１３の誘電体１３２は、センサの長手方向の一方の端部（図示の右側端部）から他方の端部（図示の左側端部）にかけて次第に幅が直線的に狭くなり、主センサ１２の誘電体１２２と同じ割合だが逆方向に幅が減少する形状を有する。それにより、接地電極１３３と図示していない信号電極１３１の極板間に、センサ長手方向の一端（図示の左側端部）から他端（図示の右側端部）にかけて対角線を引くように次第に幅が狭くなる空隙１３４が生じる。
【００６６】
主センサ１２およびリファレンスセンサ１３は、上述の構造により、液面レベル検出回路２０に用いられた場合、たとえば、液面レベルを検出すべき液体が充填されたタンク内において静電容量式液面レベルセンサ１０の一方の端部（図９における下端）がタンク底部に接して、ほぼ垂直になるように立設される。主センサ１２は、接地電極１２３と信号電極１２１の極板間の空隙１２４に満たされる液体により、その静電容量Ｃｐが液面レベルによって変化するセンサとして働く。また、リファレンスセンサ１３は、同様に、接地電極１３３と信号電極１３１の極板間の空隙１３４に満たされる液体により、その静電容量Ｃｒが液面レベルによって変化するセンサとして働く。
【００６７】
図９に示す第２の実施形態の静電容量式液面レベルセンサ１は、図１に示す第１の実施形態と同様に加工して、４層基板として作成するか、または１枚の両面プリント基板と２枚の片面プリント基板との３枚の基板を接着剤等で貼り合わせて作成することができる。
【００６８】
図１０は、液面レベルに対する主センサ１２およびリファレンスセンサ１３の静電容量に対応する出力電圧の関係を示す特性図である。
【００６９】
図１０と図２を比較すれば分かるように、この第２の実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１０は、図１に示す第１の実施形態のセンサよりも感度は低下するが、製作が簡単であり、誘電率の高い液体の液面レベル検出に好適である。
【００７０】
次に、第２の実施形態の静電容量式液面レベルセンサの静電容量ＣｐおよびＣｒとこれらの比Ｋの導出例について説明する。
【００７１】
図１１に示すように、主センサ１２の幅をａ、長さをｂ、液面レベルをｘとし、誘電体１２２および１３２がセンサの一方の端部から他方の端部にかけて対角線を引くようにその幅が減少する形状とした場合、主センサ１２の測定容量Ｃ12は、
Ｃ12＝ε0 εr ×（１／ｄ）×｛ａ＋（ａ−ａｘ／ｂ）｝ｘ／２）＋Ｃ0 ・・・（６）
で表される。ここで、ｄは信号電極１２１と接地電極１２３の極板間距離、ε0 は主センサ１２における気中（液体に浸っていない部分）の静電容量、εr は液体の比誘電率である。同様に、リファレンスセンサ１３の測定容量Ｃ13は、
Ｃ13＝ε0 εr ×（１／ｄ）×（ａｘ2 ／２ｂ）＋Ｃ0 ・・・（７）
で表される。
【００７２】
したがって、主センサ１２の静電容量Ｃｐおよびリファレンスセンサ１３の静電容量Ｃｒは、上記（６）および（７）式から
Ｃｐ＝Ｃ12−Ｃ0 ・・・（８）
Ｃｒ＝Ｃ13−Ｃ0 ・・・（９）
のように求められる。
【００７３】
そこで、上記（８）および（９）式を上記（１）式に代入することにより比Ｋを求めることができる。
【００７４】
（第３の実施形態）次に図１２は、本発明に係る静電容量式液面レベルセンサの第３の実施形態を示す斜視図である。図１に示す第１の実施形態では支持基板１１の両面に主センサ１２およびリファレンスセンサ１３を配置した構造であるが、この第３の実施形態の静電容量式液面レベルセンサ１０は、支持基板１１の一方の面に主センサ１２およびリファレンスセンサ１３を配置した構造を有する。なお、なお、図１２では、信号電極１２１および１３１が省略されている。
【００７５】
図１２に示す第３の実施形態の静電容量式液面レベルセンサ１０は、支持基板１１と、主センサ１２を構成する片面プリント基板と、リファレンスセンサ１３を構成する片面プリント基板の３枚の基板を接着剤等で貼り合わせて作成することができる。
【００７６】
この第３の実施形態に係る静電容量式レベルセンサ１０は、支持基板１１の同一面上に主センサ１２およびリファレンスセンサ１３を有するので、第１および第２の実施形態のように支持基板１１の裏面にリファレンスセンサ１３を有する形態よりも全体の厚みが薄くなり、取り付け位置次第では支持基板１１裏面を使用できない可能性がある場合に好適である。
【００７７】
以上説明したように、本発明によれば、以下の利点がある。
（１）液面レベルを主センサ１２とリファレンスセンサ１３の静電容量比で検出するため、液体の誘電率の影響を受けない。したがって、誘電率の異なる液体、または、温度や劣化といった静電容量変化に関わる外的要因に対しても、安定した液面レベル検出が可能である。
（２）図１３の従来例よりも、実質的に対向する極板面積を大きくすることができ、液面レベルに対する静電容量の変化量を大きくすることができるので、誘電率の小さい液体の液面レベル検出に好適である。
（３）液面レベルに対する静電容量の変化量が大きいので、センサの劣化、またはセンサの固体差による容量検出値の微少な影響も無視できる。
【００７８】
以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。
【００７９】
たとえば、上述の第１の実施形態においては、複数の誘電体片にてその間に空隙を生じるように配置されているが、これに代えて、電極と同じ板状の誘電体に上記空隙と同様の溝を形成するように構成しても良い。
【００８０】
また、上述の実施形態では、空隙の幅が直線的に変化するように構成されているが、これに代えて曲線的に変化するように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明に係る静電容量式液面レベルセンサの第１の実施形態を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は主センサの斜視図、（Ｃ）はリファレンスセンサの斜視図である。（第１の実施形態）
【図２】図１の静電容量式液面レベルセンサにおける、液面レベルに対する主センサおよびリファレンスセンサの静電容量に対応する出力電圧の関係を示す特性図である。（第１の実施形態）
【図３】図１の静電容量式液面レベルセンサを用いた液面レベル検出回路の構成例を示す図である。（第１の実施形態）
【図４】図４の液面レベル検出回路の動作を説明するフローチャートである。（第１の実施形態）
【図５】図１の静電容量式液面レベルセンサにおける空隙の設定例を説明するための図である。（第１の実施形態）
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、図５の空隙の設定例に対応する静電容量の変化量を説明するための図である。（第１の実施形態）
【図７】図１の静電容量式液面レベルセンサにおける静電容量の算出を説明するための図である。（第１の実施形態）
【図８】図１の静電容量式液面レベルセンサにおける静電容量の算出を説明するための図である。（第１の実施形態）
【図９】本発明に係る静電容量式液面レベルセンサの第２の実施形態を示し、（Ａ）は表側の斜視図、（Ｂ）は裏側の斜視図である。（第２の実施形態）
【図１０】図９の静電容量式液面レベルセンサにおける、液面レベルに対する主センサおよびリファレンスセンサの静電容量に対応する出力電圧の関係を示す特性図である。（第２の実施形態）
【図１１】図９の静電容量式液面レベルセンサにおける主センサおよびリファレンスセンサの静電容量とこれらの比の導出例を説明するための図である。（第２の実施形態）
【図１２】本発明に係る静電容量式液面レベルセンサの第３の実施形態を示す斜視図である。（第３の実施形態）
【図１３】従来の静電容量式液面レベルセンサの構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０    静電容量式レベルセンサ
１１    支持基板
１２    主センサ（第１のセンサ素子）
１２１  信号電極
１２２  誘電体
１２２1 〜１２２n 誘電体片
１２３  接地電極
１２４1 〜１２４n 空隙
１３    リファレンスセンサ（第２のセンサ素子）
１３１  信号電極
１３２  誘電体
１３２1 〜１３２n 誘電体片
１３３  接地電極
１３４1 〜１３４n 空隙
【図１】
2007298362.tif 000003
【図２】
2007298362.tif 000004
【図３】
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【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】
2007298362.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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