(57)【要約】【課題】静電容量式液面レベルセンサにおいて、液体を収容する容器内の液体の有無を安定的に検出させることを課題とする。【解決手段】静電容量式液面レベルセンサを多層基板によって構成し、その第１導体層に１枚又は複数枚設置する検出電極２、絶縁層を介して対向する第２導体層に検出電極２毎にガード電極３を配置し、複数枚配置する場合は所定の間隔を持たせ、これらをセンサ部４とする。また、同基板上に静電容量検出回路、信号処理回路、スイッチ７、出力回路をそれぞれ配置し、これらをアンプ部９とする。センサ部４とアンプ部９特に静電容量検出回路との接続する銅箔パターンの距離を短くすることで、配線間の寄生容量が減少し感度が上昇するので、検出液体の有無を安定的に検出が出来るようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出電極、ガード電極、静電容量検出回路、信号処理回路、前記信号処理回路と銅箔パターンにて接続され容器内に収容されている液体の静電容量を記憶させるタイミングを決定するスイッチ、１枚の基板上に構成したことを特徴とする静電容量液面レベルセンサ。
【請求項２】
１枚の基板の表裏２そうの導体層の一面に１枚又は複数枚の検出電極を配置し、他の一面に検出電極と絶縁体層を介して対向するように配置したガード電極を有し、検出電極の銅箔パターンをガード電極電位で囲んだ状態で静電容量検出回路に接続した構成を特徴とする請求項１の静電容量液面レベルセンサ。
【請求項３】
静電容量の検出にはデルタシグマ変換方式のＣＤＣを用いて、１枚又は複数枚の検出電極容量を逐次時分割で検出し、信号処置回路に記憶し、信号処理回路ではそれぞれの検出電極に対してあらかじめ設定された閾値と比較してＯＮ／ＯＦＦ信号に変換し、出力回路から制御出力として出力するようにした請求項１の静電容量液面レベルセンサ。
【請求項４】
前記、それぞれの検出電極に設定された閾値は、それぞれの電極において液体がない状態の検出電極容量をＣ０、液体がある状態の検出電極容量をＣｆとして、それぞれの電極に設定される閾値Ｃｔｈを
Ｃｔｈ＝Ｃ０＋α（Ｃｆ−Ｃ０）      αは任意の定数（例えば０．１〜０．９）
によって設定したことを特徴とする請求項１の静電容量液面レベルセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、基板上にセンサ部、静電容量検出回路、信号処理回路、スイッチ、出力回路を備え、一体型とした静電容量式液面レベルセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、センサ１製品に対して検出点やその出力が１点であるため、検出物が任意の検出点を複数有している場合、その検出点の数だけセンサを追加で用意しなければならない。【０００３】  又、液体を収容する容器にセンサを取付ける際、検出店周辺はセンサを取付けるためのスペースが狭いことが多く、センサの取付けが困難になることがある。【０００４】  更に、検出点が固定である場合、検出点の検知／復帰を判別する閾値が調整出来ないので検出物体によっては検出距離や閾値から外れるものが存在し、都度適したセンサにしなければならなくなる。一方、検出点の閾値が調整式の場合、レベル調整は手動であるものが多く調整作業のバラツキや簡単にレベル合わせが出来ない。又、上記のようなスペースの問題がありレベル調整作業にスペース不要なものが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】  特開２００８−１５５０７４公報
【特許文献２】  特開２０１３−１６７６５１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  このように、従来のセンサでは１台で複数ある任意の検出点を計測出来ず、必要な数のセンサを取付けなければならかった。【０００７】  又、検出点周辺のスペースの関係上、液体を収容する容器が大きくせり出す等場所を取らないセンサが好まれる。【０００８】  更に、検出点の検知／復帰を判別する閾値が簡単に調整出来ないので、調整作業が自動で調整出来かつ省スペースで行うことが出来る機能が望まれていた。
【課題を解決するための手段】  本発明は、基板の第１導体層に設けられた１枚又は複数枚の検出電極、第１導体層との間に絶縁体層を介して設けられた第２導体層を有し、第２導体層に設けられた１枚又は複数枚のガード電極を有するセンサ部と、検出電極及びガード電極と銅箔パターンにて接続された静電容量検出回路と、静電容量検出回路と銅箔パターンにて接続され、入力信号の静電容量の変化に伴い出力信号のロー／ハイの２値信号へと変換する機能を有する信号処理回路と、信号処理回路と銅箔パターンにて接続され、容器内に収容されている液体の静電容量を記憶させるタイミングを決定するスイッチと、２値信号により動作表示灯をＯＮ／ＯＦＦし、外部接続回路の動作を制御する出力回路と、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】  以上の説明から明らかなように、本発明にあっては次に列挙する効果が得られる。
（１）基板の第１導体層に設けられた１枚又は複数枚の検出電極、前記第１導体層との間に絶縁体層を介して設けられた第２導体層を有し、前記第２導体層に設けられた１枚又は複数枚のガード電極とで構成されているので、製品１台で複数点の検出が可能となる。
従って、検出対象の数だけセンサを用意しなくても良くなる。【００１０】（２）前記（１）によってセンサ部と検出、信号処理、出力を担当する各回路部が同一基板上に構成されているので、検出点周辺のスペースが狭くても取り付けることが可能となる。【００１１】（３）液体を収容する容器内が空状態において請求項１に示されるセンサ部により得られる初期の静電容量と、前記液体を収容する容器内が満状態において得られる満状態の静電容量と、前記満状態の静電容量から前記初期の静電容量を引いた値を所定の比率で乗じ、前記初期の静電容量に加えた静電容量を前記２値信号の出力を選択するための閾値を求めるための静電容量を取り込むスイッチとで構成されているので、検出対象物の静電容量値によってＯＮ／ＯＦＦの閾値を変更することが可能となる。
従って、要求される検出点の調整がバラツキなく自動で行われるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は本発明の静電容量式液面レベルセンサのセンサ本体の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の矢印線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【図２】図１の静電容量式液面レベルセンサのセンサ回路を示すブロック図である。
【図３】図２の静電容量検出回路、信号処理回路の一構成を示す回路図である。
【図４】シグマ−デルタ変換回路の動作説明する動作チャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】  以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１４】  センサ本体は、基板１上に検出電極２、ガード電極３で構成するセンサ部４、静電容量検出回路５、信号処理回路６、スイッチ７、出力回路８とで構成するアンプ部９を有する。基板１は、例えばガラスエポキシ等のプリント基板や変形可能なフレキシブルプリント基板からなる。検出電極２は、基板１の第１導体層上に１枚又は複数枚設けてあり、複数枚存在する場合は所定の間隔をもって配置されている。ガード電極３は、基板の第２導体層上に検出電極毎に１枚又は複数枚設けてある。又、ガード電極３は絶縁層を介して検出電極２と対向し、検出電極２に対応する領域を含むように電極の面積が検出電極２よりも広く形成されている。検出電極２とガード電極３はいずれも、例えば銅やアルミニウム等の導電性材料からなる。そして、センサ本体は検出電極２と大地間、具体的には回路上の０Ｖとの静電容量を検出する。
【００１５】  静電容量検出回路５は、センサ部４に接続され、センサ部４にて検出された静電容量を電気信号に変換し、後段の信号処理回路６へ伝送する。静電容量検出回路５とセンサ部４は、第１導体層、第２導体層に形成された銅箔パターンにて接続されている。
【００１６】  静電容量検出回路５は、スイッチング回路１０とクロック回路１１で構成されている。
スイッチング回路１０は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を有する。スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、コンデンサＣｘを介してガード電極と接続されている。
クロック回路１１は、クロックパルス生成回路１１ａおよび基準パルス生成回路１１ｂを有する。クロックパルス生成回路１１ａは、Ｐｈ１およびＰｈ２なるランダムパルスを生成し、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２をスイッチング制御する。基準パルス発生回路１１ｂは、後述するラッチ回路を基準パルスＶｃ１の立ち上がりで制御する。
【００１７】  信号処理回路６は、静電容量検出回路５、スイッチ７と接続され、電気信号に変換された静電容量を入力信号としてロー／ハイの２値信号へと変換し、後段の出力回路８へ伝送する。
【００１８】  信号処理回路６は、シグマ−デルタ変調回路１２とビットストリーム回路１３で構成されている。
シグマ−デルタ変調器１２は、放電回路１２ａ、比較器（コンパレータ）１２ｂ、ラッチ回路１２ｃを含む。放電回路１２ａは放電抵抗Ｒからなる。スイッチング素子ＳＷ２の後段とガード電極の間には、コンデンサＣｍｏｄ、ならびに、放電回路１２ａおよびスイッチング素子ＳＷ３の直列回路が介在している。ここで、コンデンサＣｍｏｄの静電容量は、コンデンサＣｘの静電容量よりも十分大きい。また、比較器１２ｂの一方の入力端には、コンデンサＣｍｏｄの両端電圧ｖｍｏｄが入力され、比較器１２ｂの他方の入力端には基準電圧ｖｒｅｆが入力される。比較器１２ｂは、電圧ｖｍｏｄが基準電圧ｖｒｅｆを越えたときに、後段のラッチ回路１２ｃをオンさせ、電圧ｖｍｏｄが基準電圧ｖｒｅｆ以下のときには、後段のラッチ回路１２ｃをオフさせる。ラッチ回路１２ｃは、比較器１２ｂの出力に基づいてスイッチング素子ＳＷ３を制御する。
ビットストリーム回路１３は、基準パルス生成回路１１ｂおよびラッチ回路１２ｃの後段に接続され、一定時間内のラッチされた基準パルスＶｃ１の数をカウントして出力する。
【００１９】  図４（ａ）はランダムパルスＰｈ１の時間波形を示すグラフ、（ｂ）はランダムパルスＰｈ２の時間波形を示すグラフ、（ｃ）はｖｍｏｄの時間波形を示すグラフ、（ｄ）はＶｃ１の時間波形を示すグラフ、（ｅ）はスイッチング素子ＳＷ３の時間波形を示すグラフである。
【００２０】  図４に示すように、シグマ−デルタ変換回路の各部分の動作は以下のようになる。  まず、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ランダムな周期およびパルス幅を有し、互いに位相の異なるランダムパルスＰｈ１、Ｐｈ２が、クロックパルス生成回路１１ａからそれぞれスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に対して出力される。このとき、スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２は、同時にオンしないように、互い違いにオン、オフされる。
次に、スイッチング素子ＳＷ１がオンすると、未知の静電容量Ｃｘはすぐに電圧ｖｄｄに充電される。ここで、電圧ｖｄｄはバッファー回路からシグマ−デルタ変調回路１２に入力される検出電極２の電圧信号である。そして、スイッチング素子ＳＷ１がオフしてスイッチング素子ＳＷ２がオンすると、コンデンサＣｘに蓄えられた電荷がコンデンサＣｍｏｄに移動する。コンデンサＣｍｏｄの静電容量はコンデンサＣｘの静電容量に比べて大きいため、コンデンサＣｘの両端の電圧は低下する。さらに、スイッチング素子ＳＷ１がオンして、スイッチング素子ＳＷ２がオフすると、コンデンサＣｘが充電され、コンデンサＣｘに電圧ｖｄｄが充電される。これを繰り返して、図４（ｃ）に示すように、コンデンサＣｍｏｄの両端の電圧ｖｍｏｄがｖｄｄに向かって充電される。
そして、図４（ｃ）および（ｅ）に示すように、コンデンサＣｍｏｄの電圧ｖｍｏｄが基準電圧ｖｒｅｆを超えたとき、ラッチ回路１２ｃが動作してスイッチング素子ＳＷ３がオンする。スイッチング素子ＳＷ３がオンすると、放電回路１２ａによって、コンデンサＣｍｏｄの電荷が放電され、電圧ｖｍｏｄが低下していく。
図４（ｄ）に示すように、ラッチ回路１２ｃが動作する時間は一定周期の基準パルスＶｃ１の立ち上がりで制御され、電圧ｖｍｏｄは、コンデンサＣｍｏｄの電荷の充放電が繰り返されることで、基準電圧ｖｒｅｆの間を上下変動する。
コンデンサＣｘの未知の静電容量が大きくなると、コンデンサＣｍｏｄに移動する電荷が多くなるため、これを放電させるスイッチング素子ＳＷ３の頻度が多くなり、スイッチング素子ＳＷ３のオン時間が多くなる。したがって、ビットストリーム回路１３によって一定時間内のラッチされた基準パルスＶｃ１のカウント数を計測することにより、電圧信号ｖｄｄをシグマ−デルタ変換（変調）したデジタル信号に変換される。
【００２１】  ビットストリーム回路１３より出力された基準パルスＶｃ１の数をＯＮ／ＯＦＦの２値信号として出力するための閾値の設定を行う。液体を収容する容器内が空状態において、信号処理回路６と銅箔パターンで接続されるスイッチ７を押し、初期の静電容量を信号処理回路６へ取り込ませる。その後、液体を収容する容器内が満状態においてスイッチ７を再び押し、満状態の静電容量を信号処理回路６へ取り込ませる。これより、出力信号の２値信号を選択するための閾値Ｃｔｈは、満状態の静電容量Ｃｆから初期の静電容量Ｃ０を引いた値を所定の比率αで乗じ、初期の静電容量に加えたものであり、以下（１）式で算出される。
【数１】
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【００２２】  シグマ−デルタ変換回路によって変換されたデジタル信号は、信号処理回路６によって上述の通り信号処理された後、出力回路より出力される。
【産業上の利用可能性】
【００２３】  本発明は、燃料電池や洗浄液、廃液等の液体残量管理に利用される可能性がある。
【符号の説明】１  基板
２  検出電極
３  ガード電極
４  センサ部
５  静電容量検出回路
６  信号処理回路
７  スイッチ
８  出力回路
９  アンプ部
１０  スイッチング回路
１１  クロック回路
１１ａ  クロックパルス生成回路
１１ｂ  基準パルス生成回路
１２  シグマ−デルタ回路
１２ａ  放電回路
１２ｂ  比較器（コンパレータ）
１２ｃ  ラッチ回路
１３  ビットストリーム回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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