JP3772044B2 - Capacitance type detection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として容器や流通配管内の各種液体や粉粒体などの被検出誘電体を外部から静電容量的に検出する手段として利用できる静電容量型検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種の静電容量型検出装置としては、接地状態にある前記容器や流通配管の外側に検出電極を装着し、この検出電極に抵抗を介して矩形波電圧を対地間で印加し、前記抵抗と前記容器や流通配管中の被検出誘電体とを経由して対地間で高周波電流が流れる際の対地間で生じる容量(対地間静電容量)とによって形成されるRC回路による前記検出電極での矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間的遅れに基づいて検出信号を出力するようにしたものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかして、上記構成の従来の静電容量型検出装置では、容器内の被検出誘電体の表面レベルが検出電極の検出レベルよりも下がった状態や流通配管中に被検出誘電体が流通していない状態であれば、本来は、前記検出電極の対地間静電容量が極減してRC回路が閉成されず、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに時間的遅れが生じなくなり、検出信号が出力されなくなる筈である。しかし、実際には、前記容器や流通配管の内面に、水垢などの汚れ、結露、氷結、あるいは被検出誘電体が強粘性物質である場合の層状の残留付着などが生じている状況では、前記容器や流通配管の内面に高周波回路的に接地状態にある誘電体層が存在することになる結果、当該誘電体層を介して検出電極を経由するRC回路が対地間で閉成され、検出電極における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに時間的遅れが生じ、検出信号が出力されてしまう。
【0004】
即ち、容器や流通配管の外側から内部の液体や粉粒体を検出する従来のこの種の静電容量型検出装置は、誤動作が生じ易くて信頼性が低いため、検出対象の被検出誘電体の性状や、容器や配管内部の定期的清掃などの保守面で、相当の好条件が満たされなければ実用に供し得ないものであった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の目的は、従来のこの種の静電容量型検出装置の最大の問題点である、容器内面や配管内面の汚れや結露、氷結などによる誤動作を解消し、信頼性が高く且つ小型の静電容量型検出装置を提供することにあって、その手段を後述する実施形態の参照符号を付して示すと、被検出誘電体26との間に非導電性隔壁(容器囲壁27aなど)を隔てて配設された検出電極3に抵抗17を介して矩形波電圧を印加し、前記抵抗17と被検出誘電体26とを経由して対地間で高周波電流が流れる際の対地間で生じる静電容量(対地間静電容量)とによって形成されるRC回路の閉成に基づいて検出信号を出力するようにした静電容量型検出装置であって、前記検出電極3に印加される矩形波電圧と同周波数の矩形波電圧を発生するガード電圧発生手段30(矩形波電圧発生回路16、可変抵抗器20、及び位相反転/波形整形回路24)、第二電極4、及び第三電極5が設けられ、ガード電圧発生手段30は第二電極4に接続され、第二電極4は前記検出電極3の周囲に配設されて、当該第二電極4の電位により、前記隔壁(容器囲壁27aなど)に沿って層状に存在する誘電体を経由するRC回路を遮断するようにし、第三電極5は第二電極4に接続されたもので、前記検出電極3の背面側をカバーするように配設された構成となっている。
【0006】
また、本発明の第二の目的は、被検出誘電体26が、水などの液体に比べて比誘電率が非常に小さい粉粒体であっても、精度良く検出することができる静電容量型検出装置を提供することにあって、その手段は、前記第三電極5を第二電極4に接続する代わりに接地した構成となっている。
【0007】
上記の本発明装置を実施するについて、被検出誘電体が例えば液体であるか粉粒体であるかに応じて使い分けることができるように切り換え手段32を併用し、この切り換え手段32により、被検出誘電体26が比誘電率の大きな液体などである場合には、前記第二電極4及び前記第三電極5の両方を前記ガード電圧発生手段30に接続し、被検出誘電体26が比誘電率の小さい粉粒体などである場合には、第二電極4のみを前記ガード電圧発生手段30に接続するとともに第三電極5を接地することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適実施形態を添付図に基づいて説明すると、図1及び図2において、1は検出器であって、回路基板2、検出電極3、第二電極4、第三電極5、及びこれらを内蔵するプラスチックケース6から構成され、プラスチックケース6には取り付け用フランジ6aが設けられている。さらに詳述すると、回路基板2の裏面に取り付けられた第二基板7の表面(回路基板2のある側とは反対側)に第三電極5が形成され、この第三電極5との間に一定空間を隔てるように前記第二基板7に対しスペーサー兼用のピンコネクター8を介して支持された第三基板9の表面(回路基板2のある側とは反対側)に検出電極3と第二電極4とが形成されている。この検出電極3と第二電極4とは、プラスチックケース6の検出作用面を構成する正面壁の内面に接するように配置されているが、第三基板9をプラスチックケース6の検出作用面を構成する正面壁で兼用させるように、このプラスチックケース6の正面壁の内面に直接検出電極3と第二電極4とを形成することもできる。
【0009】
各電極3〜5は、基板7,9に対して導電膜をプリントする方法や、基板7,9の表面に銅箔や銅板などの薄い導電材を貼付する方法などで構成することができる。しかして、第二電極4は検出電極3の周囲を取り囲む環状に配置され、第三電極5は、検出電極3と第二電極4の背面側の全域をカバーするように配置されている。図示例では、各電極3〜5を矩形(第二電極4は矩形環状)に形成しているが、円形(第二電極4は円形環状)に形成することもできる。
【0010】
回路基板2上で構成される回路構成について説明すると、図1に示すように、検出電極3は、矩形波電圧発生回路16の互いに逆位相の矩形波電圧を出力する2つの出力端子の内の一方の出力端子16aに抵抗器17を介して接続されるとともに、位相反転/波形整形回路18の入力端子18aに接続されている。前記矩形波電圧発生回路16の他方の出力端子16bは、位相反転/波形整形回路19の入力端子19aに可変抵抗器20を介して接続され、当該位相反転/波形整形回路19の出力端子19bは、比較回路21の3つの入力端子21a〜21cの内、入力端子21aに接続されて、当該比較回路21に基準矩形波電圧を印加する。
【0011】
比較回路21は、3つの入力端子21a〜21cの電位が全てLレベルになっている間のみ、出力端子21dの電位がHレベルからLレベルに切り替わるように、ダイオードマトリックス回路で構成されたもので、その入力端子21bにおいて前記位相反転/波形整形回路18の出力端子18bと接続されるとともに、入力端子21cにおいて前記矩形波電圧発生回路16の出力端子16aに接続され、位相反転/波形整形回路19から与えられる基準矩形波電圧と位相反転/波形整形回路18から与えられる矩形波電圧とを比較して、前記検出電極3における矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの時間遅れを検出し、その出力端子21dに時間遅れ検出信号を出力する。22は、前記比較回路21の出力端子21dに接続される入力端子22aと、次段の出力回路23の入力端子23aに接続される出力端子22bとを備えたオンオフ信号発生回路であって、前記比較回路21からの時間遅れ検出信号に基づいてオンオフ信号を次段の出力回路23に供給する。出力回路23は、前記オンオフ信号発生回路22からのオンオフ信号に基づいて外部出力端子23bの電位を切り換えるもので、接地端子23cとの間に所定の直流電圧が印加される電源端子23dを備えている。
【0012】
第二電極4と第三電極5とには、位相反転/波形整形回路24の出力端子24bが接続され、この位相反転/波形整形回路24の入力端子24aは、前記位相反転/波形整形回路19の入力端子19aに接続され、可変抵抗器20の影響を受けた矩形波電圧が印加されるようになっている。
【0013】
なお、第三基板9上の検出電極3と第二電極4とは、当該第三基板9を支持するスペーサー兼用のピンコネクター8を介して回路基板2上の所定端子18a,24bに接続されている。
【0014】
以上のように構成された検出装置の検出器1は、例えば図3Aに示すように、水などの被検出誘電体26が収容される容器(タンク)27の非導電性材料から構成された囲壁27aの外側に、前記被検出誘電体27の有無を検出するレベルに検出電極3が位置するように、そして検出電極3及び第二電極4と囲壁27aとの間に空隙が生じないように、取り付けられる。図4及び図5は、この使用状態での各回路の出力乃至は入力の電圧波形を示すもので、図4−列(1) は、検出電極3に対応する検出レベルに被検出誘電体26が存在しない場合、図4−列(2) は、検出電極3に対応する検出レベルに被検出誘電体26が存在する場合、図5は、図3Bに示すように検出電極3に対応する検出レベルに被検出誘電体26は存在しないが、囲壁27aの内面に水垢や結露、氷結などによる誘電体層28が形成されている場合を示している。
【0015】
しかして検出電極3には、矩形波電圧発生回路16の出力端子16aから、図4−行Aに示す矩形波電圧が抵抗器17を介して印加される。一方、矩形波電圧発生回路16の出力端子16bから、図4−行Bに示すように前記検出電極3に印加される矩形波電圧(図4−行A)に対し180度位相が異なった同周波数の矩形波電圧が出力され、これが可変抵抗器20を経由することにより、図4−行Dに示すように立ち上がり立ち下がりに若干の時間を要した状態で、位相反転/波形整形回路19の入力端子19aに供給される。従って、当該位相反転/波形整形回路19の出力端子19b(比較回路21の入力端子21a)での矩形波電圧の波形は、図4−行Fに示すように、位相が180度反転されて、図4−行Aに示す矩形波電圧発生回路16の出力端子16aの出力波形(検出電極3に印加される矩形波電圧の波形)と略同位相になるが、当該図4−行Aに示す矩形波電圧よりも立ち上がり立ち下がりが時間tだけ遅れた矩形波となる。
【0016】
可変抵抗器20を経由した矩形波電圧は、前記位相反転/波形整形回路19と同一の働きをする位相反転/波形整形回路24にも供給されるので、第二電極4及び第三電極5に印加される矩形波電圧、即ち、位相反転/波形整形回路24の出力端子24bでの矩形波電圧の波形は、比較回路21の入力端子21aに入力される矩形波電圧(図4−行F)と同一の波形になる。このことから明らかなように、位相反転/波形整形回路19の出力端子19bと第二電極4及び第三電極5とを接続して、前記位相反転/波形整形回路24を省くことも可能である。
【0017】
以上の回路構成から明らかなように、検出電極3に印加される矩形波電圧に対して、周囲の第二電極4及び背部の第三電極5には略同位相で同周波数の矩形波電圧が印加されている。即ち、検出電極3の背面側をカバーし且つ当該検出電極3と略同位相で同周波数の矩形波電圧が印加されている第三電極5の存在により、検出電極3の背面側に配設されている回路基板2及び当該回路基板2上に構成された回路などから検出電極3に及ぼす静電容量的影響がなくなり、検出電極3の背面側の静電容量が存在しない状態となるとともに、検出電極3そのものが背面側の第三電極5の電位によって付勢される。そして検出電極3の周囲に配置され且つ当該検出電極3と略同位相で同周波数の矩形波電圧が印加されている第二電極4の存在により、検出電極3の正面側周囲に当該検出電極3と略同位相で同周波数の矩形波電圧による電界領域が形成される。
【0018】
従って、図3Aに示すように、検出電極3の内側に、第二電極4によって形成される電界領域の影響を受ける深さ(囲壁27aに対し直角方向)を越える深さで水などの誘電率の高い被検出誘電体26が存在するときは、容器囲壁27aは高周波回路的に接地されているので、検出電極3は、第二電極4の電界の影響や背面側の回路などの影響を受けずに、当該容器27内の被検出誘電体26のみを介して高周波回路的に接地され、対地間で高周波電流が流れることになる。
【0019】
換言すれば、容器27内に収容されている被検出誘電体26の表面レベルが検出電極3の検出レベルよりも低いときは、第二電極4の有る無しに関係なく、検出電極3に印加される矩形波電圧により高周波電流が流れることは確実に防止されるので、図4−列(1) 行Eに示すように、比較回路21の入力端子21bには、単に、矩形波電圧発生回路16の出力端子16aにおける矩形波電圧(図4−列(1) 行C)の逆位相の矩形波電圧が供給されることになり、その立ち上がり立ち下がりに時間的遅れは生じない。従って、比較回路21の入力端子21cに供給される矩形波電圧(図4−列(1) 行A)に基づいて、入力端子21aに供給される矩形波電圧(図4−列(1) 行F)と入力端子21bに供給される矩形波電圧(図4−列(1) 行E)とを比較回路21において比較した結果、3入力の全ての矩形波電圧が何れもLレベルになることはないので、その出力端子21dの電位は、図4−列(1) 行Iに示すようにHレベルのままであり、出力回路23の入力端子23a(オンオフ信号発生回路22の出力端子22b)及び外部出力端子23bの電位は、図4−列(1) 行J,行Kに示すようにHレベルのままである。
【0020】
これに対して、先に説明したように、容器27(囲壁27aは高周波回路的に接地されている)内に収容されている被検出誘電体26の表面レベルが検出電極3の検出レベルよりも高いときは、第二電極4の有る無しに関係なく、検出電極3に印加される矩形波電圧により、抵抗器17、検出電極3、及び被検出誘電体26を経由して高周波電流が流れるので、図4−列(2) 行Cに示すように、位相反転/波形整形回路18の入力端子18aにおける矩形波電圧(検出電極3における矩形波電圧)は、その立ち上がり立ち下がり時に、先に説明した可変抵抗器20による遅れ時間tよりも大きな時間Tの遅れが発生する。
【0021】
従って、比較回路21の入力端子21bには、時間Tだけ立ち上がり立ち下がりが遅れた矩形波電圧(図4−列(2) 行E)が供給されるので、図4−列(2) 行A,行E,行Fの矩形波電圧波形から明らかなように、比較回路21の入力端子21aの矩形波電圧の立ち下がりから入力端子21bの矩形波電圧の立ち上がりまでの間、比較回路21の3入力の全ての矩形波電圧が何れもLレベルになり、その間だけ出力端子21dの電位は、図4−列(2) 行Iに示すようにLレベルとなり、パルス信号が出力される。この結果、オンオフ信号発生回路22の出力端子22b(出力回路23の入力端子23a)及び外部出力端子23bの電位は、図4−列(2) 行J,行Kに示すように、前記パルス信号の立ち上がり時点でHレベルからLレベルに切り換えられ、当該外部出力端子23bの電位の変化を利用して、接続された適当な外部制御手段などを介して検出電極3の検出レベルに被検出誘電体26が存在することを検知できる。
【0022】
次に、図3Bに示すように、検出電極3の検出レベルに被検出誘電体26は存在しないが、容器27の囲壁27aの内面に濡れ、水垢、結露、氷結などによる誘電体層28が形成され且つ当該容器27を介して誘電体層28が高周波回路的に接地されている場合を説明すると、この誘電体層28は厚さが最大数ミリメートルと薄いので、前記の如く第二電極4により検出電極3の周囲に形成されている、当該検出電極3と略同位相の電位に付勢された電界領域が、検出電極3が前記誘電体層28を介して対地間で高周波回路的につながるのを遮断する働きをする。
【0023】
即ち、図5−列(1) 行Cに示すように、前記誘電体層28を通じて検出電極3が対地間で高周波回路的に接続されるので、抵抗器17、検出電極3、及び誘電体層28を通じて高周波電流が流れて、検出電極3に印加される矩形波電圧(位相反転/波形整形回路18の入力端子18aの矩形波電圧)には、その立ち上がり立ち下がりに時間遅れが発生しようとするが、第二電極4に印加される略同位相の矩形波電圧(図5−列(1) 行G)の電位で検出電極3の周囲の誘電体層28が付勢される結果、検出電極3における矩形波電圧(図5−列(1) 行C)の立ち上がり立ち下がりの時間遅れが、第二電極4及び第三電極5に印加される略同位相の矩形波電圧(図5−列(1) 行G)の立ち上がり立ち下がり時点で強制的に解消され、同時点で検出電極3における矩形波電圧(図5−列(1) 行C)の立ち上がり立ち下がりが完了する。
【0024】
従って、比較回路21の入力端子21bに供給される矩形波電圧(図5−列(1) 行E)には、その立ち上がり立ち下がりに若干の時間遅れが生じるが、この遅れ時間は、第二電極4及び第三電極5に印加される矩形波電圧(図5−列(1) 行G)の立ち上がり立ち下がりに生じている遅れ時間、即ち、比較回路21の入力端子21aに供給される矩形波電圧(図5−列(1) 行F)の立ち上がり立ち下がりに生じる、可変抵抗器20による遅れ時間tと等しいため、結果的には、図5−列(1) 行A,行E,行Fに示すように、比較回路21における3入力の全てがLレベルになることはなく、検出電極3の検出レベルに被検出誘電体26が存在しないときと同様に、出力回路23の外部出力端子23bの電位が切り替えられることはない。即ち、誘電体層28は検出されず、誤動作を防止できる。
【0025】
なお、3つの電極3〜5を備えた検出器1に対し、回路基板2上で構成される回路を別のケーシング内に内装し、両者をコードで接続することもできる。また、金属などの導電性材料から構成された容器(タンク)や流通配管に対して使用するときは、当該容器や配管の導電性材料から構成された囲壁に貫通孔を設け、この孔に検出器1を内嵌固定すれば良い。この場合、被検出誘電体26と検出電極3及び第二電極4との間の非導電性隔壁は、検出器1のプラスチックケース6となる。
【0026】
また、被検出誘電体26の存在により検出電極3に印加される矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりに生じる遅れ時間Tが、被検出誘電体26の性状や検出電極3と被検出誘電体26との間の非導電性隔壁(容器囲壁27aや検出器1のプラスチックケース6など)の材質などにより変化するが、可変抵抗器20は、前記遅れ時間Tよりも比較回路21の入力端子21a、第二電極4及び第三電極5に加えられる矩形波電圧の立ち上がり立ち下がりの遅れ時間tが小さくなるように抵抗値が調整される。しかしながら、予想される遅れ時間Tの最小値よりも遅れ時間tが小さくなれば良いのであるから、前記可変抵抗器20に代えて、固定抵抗器を使用することもできる。
【0027】
被検出誘電体26が水などの液体と比較して比誘電率が大幅に小さい粉粒体である場合(一般的には、液体に比べて粉粒体の比誘電率は1/5〜1/20程度)は、第二電極4と同様に第三電極5に、検出電極3に印加される矩形波電圧と略同位相且つ同周波数の矩形波電圧を印加すると、この第三電極5の電界の影響を受けて検出電極3から見た被検出誘電体(粉粒体)26側の静電容量が一層小さくなり、その有無に伴う変化を確実に検出するのが困難になる。
【0028】
従って、被検出誘電体26が比誘電率の小さい粉粒体などである場合は、図6に示すように、第二電極4のみを、前記矩形波電圧発生回路16、可変抵抗器20、及び位相反転/波形整形回路24から成るガード電圧発生手段30に接続し、第三電極5は接地端子31に接続して接地する。
【0029】
この図6に示す検出装置によれば、被検出誘電体26が比誘電率の小さい粉粒体などであっても、検出電極3のレベルに当該被検出誘電体26が有るときと無いときとで、当該検出電極3の正面側の静電容量変化を確実に捉えさせ、検出電極3のレベルに当該被検出誘電体26が有るときは、矩形波電圧発生回路16から当該検出電極3に印加される矩形波電圧により、抵抗器17、検出電極3、及び被検出誘電体26を経由するRC回路を閉成させ、以て、図1及び図4に基づいて説明した通り、検出電極3の検出レベルに被検出誘電体26が存在することの検知信号を出力させることができる。そして、第二電極4は、先に説明した通り、容器囲壁27aそのものやその内面に汚れや粉粒体の付着などによって形成される誘電体層の影響を無くす働きがあるので、検出電極3のレベルに粉粒体などの被検出誘電体26が存在しないにもかかわらず、前記検知信号が出力されるような誤動作を確実に防止できる。
【0030】
また、図6に示す検出装置は、液体と比較して比誘電率の小さい人体の指先などによるタッチ操作を検出するタッチセンサーなどとしても活用できる。即ち、指先を接触させるためのタッチ面を構成する非導電性材料から成る板材の裏面に検出器1を取り付けるかまたは、プラスチックケース6の正面を指先を接触させるためのタッチ面とし、指先を前記タッチ面に接触させたとき、人体を介して検出電極3が高周波回路的に接地されてRC回路が閉成されるのを、先に説明した粉粒体などの被検出誘電体26の検出作用と同様の作用で検出させることができる。この場合、前記タッチ面の汚れや雨水などによる水膜の付着による悪影響(誤動作)を第二電極4により防止することができる。
【0031】
図7は、切り換え手段32を使用して、第二電極4及び第三電極5の両方を前記ガード電圧発生手段30に接続する第一状態と、第二電極4のみを前記ガード電圧発生手段30に接続するとともに第三電極5を接地端子31に接続する第二状態とに切り換え可能に構成した実施形態を示している。
【0032】
この図7に示す検出装置によれば、被検出誘電体26が比誘電率の大きな液体などである場合には、切り換え手段32により、第二電極4及び第三電極5の両方を前記ガード電圧発生手段30に接続する第一状態とすることにより、図1〜図5に基づいて説明した通りの検出装置として効果的に使用することができる。一方、被検出誘電体26が比誘電率の小さい粉粒体などである場合には、切り換え手段32により、第二電極4のみを前記ガード電圧発生手段30に接続するとともに第三電極5を接地端子31に接続する第二状態とすることにより、図6に基づいて説明した通りの検出装置として効果的に使用することができる。
【0033】
なお、切り換え手段32を併用する場合、図では機械的な切り換えスイッチを切り換え手段として使用し、電極と回路との接続経路を機械的に変更する構成を示したが、回路上で電気的に接続経路を切り換える方法、例えば、ロジックICを組み込んで印加電圧を変更する方法、アナログスイッチで回路を切り換える方法、回路実装部品を変更する方法なども採用できる。
【0034】
【発明の効果】
本発明は以上のように実施し使用し得るものであり、請求項1に記載した本発明の静電容量型検出装置では、被検出誘電体は検出位置に存在しないが、検出電極の内側の非導電性隔壁の内面に沿って濡れや汚れなどによる誘電体層が存在する場合、検出電極に印加される矩形波電圧と同周波数の矩形波電圧を印加される第二電極の電位により、前記濡れなどによる誘電体層を経由するRC回路を遮断することができるので、前記非導電性隔壁の内面に形成される濡れや汚れなどによる誘電体層を検出電極により検出してしまうことがない。
【0035】
しかも、検出電極の背面側をカバーするように第三電極を配設し、この第三電極に、前記第二電極と同様に前記検出電極に印加される矩形波電圧と同周波数の矩形波電圧を印加するように構成したので、検出電極の背面側に静電容量が存在しない状態とし、検出電極背面側の回路などの固定容量による影響を無くすとともに、当該第三電極の電位が検出電極そのものを付勢する作用により、検出電極の正面側におけるガード効果、即ち、検出電極周囲の第二電極による前記作用と同様に、検出電極の正面側の容器囲壁やその内面の汚れなどの誘電体層の影響を受けて誤動作するのを防止する効果が生じ、この結果、検出電極周囲の第二電極の面積を大きくしてそのガード効果を高めたのと同様の結果が得られる。換言すれば、検出電極の周囲の第二電極の面積によって決まる検出器の大きさを、当該第二電極を小さくして小型化することができるのである。
【0036】
即ち、請求項1に記載の本発明の構成によれば、容器や流通配管の内面の濡れや汚れ、結露、氷結などによる誤動作は勿論のこと、検出電極背面側の回路などによる誤動作を防止して、検出電極が対応する検出位置に被検出誘電体が存在するか否かを容器や流通配管の外部から精度良く検出することができ、被検出誘電体の性状や、容器や流通配管の内部の定期的清掃などの保守作業に影響されない、信頼性の高い、しかも小型化も容易な静電容量型検出装置を得ることができるのである。
【0037】
被検出誘電体が、高周波回路的に接地された状態ではないと考えられる比誘電率の小さい粉粒体などである場合、検出電極の周囲の前記第二電極によるガード作用により、被検出誘電体と検出電極との間の容量変化量が減殺され、その分だけ検出感度が低下する。この場合、上記のように検出電極の背部に配設される第三電極が前記第二電極に接続されていると、検出感度の低下はさらに顕著になる。勿論、容器内面に付着する粉粒体層は検出されてはならない。
【0038】
しかして、請求項2に記載の如く、第三電極をアース電極とすることにより、前面の各電極の背面側の容量を一定に固定することにより、結果的に検出電極の前面側(被検出誘電体側)の感度を向上させることができ、比誘電率の小さい粉粒体などを非接触検出するのに特に効果的で、タッチセンサーなどとしても活用可能な静電容量形検出装置を得ることができる。この場合、実施形態に示したように、検出電極とその背部の第三電極との間にピンコネクターなどのスペーサーを介在させて適当な空隙を確保することにより、検出電極の背面側の容量をより一層低く抑えることができ、効果的である。
【0039】
そして、請求項3に記載の本発明の構成によれば、切り換え手段を切り換えるだけで、被検出対象物が比誘電率の大きな液体がある場合と比誘電率の小さな粉粒体である場合の何れでも、精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第一実施形態を示す装置全体の回路図である。
【図2】 A図は検出器の構成を説明する概略縦断側面図であり、B図は同一部切り欠き平面図である。
【図3】 A図は検出レベル以上に被検出誘電体がある状態を説明する要部の縦断側面図、B図は検出レベルに被検出誘電体が無く、汚れなどの誘電体層が有る状態を説明する要部の縦断側面図である。
【図4】 検出レベルに被検出誘電体の有る状態と無い状態での各端子の電圧波形を説明する図である。
【図5】 検出レベルに被検出誘電体が無く、汚れなどの誘電体層が有る状態での各端子の電圧波形を説明する図である。
【図6】 第二実施形態の構成を説明する概略図である。
【図7】 第三実施形態の構成を説明する概略図である。
【符号の説明】
1 検出器
2 回路基板
3 検出電極
4 第二電極
5 第三電極
6 プラスチックケース
7 第二基板
8 スペーサー兼用のピンコネクター
9 第三基板
16 矩形波電圧発生回路(ガード電圧発生手段)
17 抵抗器
18 位相反転/波形整形回路
19 位相反転/波形整形回路
20 可変抵抗器(ガード電圧発生手段)
21 比較回路
22 オンオフ信号発生回路
23 出力回路
24 位相反転/波形整形回路(ガード電圧発生手段)
26 被検出誘電体
27 容器
27a 非導電性材料から成る囲壁
28 汚れなどの誘電体層
30 ガード電圧発生手段
31 接地端子
32 切り換え手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a capacitance type detection apparatus that can be used as a means for capacitively detecting a dielectric to be detected such as various liquids and powder particles in containers and distribution pipes from the outside.
[0002]
[Prior art]
As this type of capacitance-type detection device, a detection electrode is mounted on the outside of the container or the distribution pipe in a grounded state, a rectangular wave voltage is applied to the detection electrode via a resistor, and the resistance And the detected dielectric in the container or distribution pipeAnd the capacitance generated between the ground when high-frequency current flows between the ground (the capacitance between the ground)It is known that a detection signal is output based on a time delay of rising and falling of a rectangular wave voltage at the detection electrode by an RC circuit.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, in the conventional capacitance type detection device having the above-described configuration, the detected dielectric is in a state where the surface level of the detected dielectric in the container is lower than the detection level of the detection electrode or in the distribution pipe. If there is no current, the capacitance between the detection electrode and the ground is extremely reduced, the RC circuit is not closed, and there is no time delay in the rising and falling of the rectangular wave voltage at the detection electrode. The signal should not be output.The But in fact,In the situation where dirt such as scale, condensation, icing, or layered residual adhesion occurs when the detected dielectric is a highly viscous material, the inner surface of the container or the distribution pipe As a result, there is a dielectric layer that is grounded as a high-frequency circuit. As a result, the RC circuit that passes through the detection electrode via the dielectric layer is closed between the ground and the rising of the rectangular wave voltage at the detection electrode. A time delay occurs in the fall, and a detection signal is output.
[0004]
In other words, this type of conventional electrostatic capacitance type detection device that detects the liquid and particles inside the container and the distribution pipe from the outside is prone to malfunction and has low reliability. In terms of the properties and maintenance aspects such as regular cleaning of the inside of the container and piping, it could not be put to practical use unless considerable favorable conditions are satisfied.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The first object of the present invention is to eliminate malfunctions due to dirt, condensation, icing, etc. on the inner surface of the container and the inner surface of the pipe, which is the biggest problem of this type of conventional electrostatic capacitance type detection device, and has high reliability. Further, in providing a small capacitance type detection device, the means thereof is indicated by reference numerals of embodiments to be described later, and a non-conductive partition wall (container surrounding wall) is provided between the detection dielectric 26 and the device. A rectangular wave voltage is applied to the
[0006]
The second object of the present invention is to provide a capacitance that can be detected with high accuracy even when the detected dielectric 26 is a granular material having a very small relative dielectric constant compared to a liquid such as water. In providing a mold detecting device, the means connects the
[0007]
When implementing the above-described apparatus of the present invention, the
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In FIGS. 1 and 2,
[0009]
Each of the
[0010]
The circuit configuration configured on the
[0011]
The
[0012]
An
[0013]
The
[0014]
As shown in FIG. 3A, for example, the
[0015]
Thus, the rectangular wave voltage shown in FIG. 4 -row A is applied to the
[0016]
Since the rectangular wave voltage that has passed through the
[0017]
As apparent from the circuit configuration described above, the rectangular wave voltage applied to the
[0018]
Therefore, as shown in FIG. 3A, the dielectric constant of water or the like at a depth exceeding the depth (perpendicular to the surrounding
[0019]
In other words, when the surface level of the detected dielectric 26 accommodated in the
[0020]
On the other hand, as described above, the surface level of the detected dielectric 26 accommodated in the container 27 (the surrounding
[0021]
Accordingly, the
[0022]
Next, as shown in FIG. 3B, the detected
[0023]
That is, as shown in FIG. 5 -column (1) row C, the
[0024]
Accordingly, the rectangular wave voltage supplied to the
[0025]
In addition, with respect to the
[0026]
In addition, the delay time T generated at the rising and falling of the rectangular wave voltage applied to the
[0027]
In the case where the detected
[0028]
Therefore, when the detected
[0029]
According to the detection apparatus shown in FIG. 6, even when the detected
[0030]
Further, the detection device shown in FIG. 6 can be used as a touch sensor that detects a touch operation with a fingertip of a human body having a relative dielectric constant smaller than that of a liquid. That is, the
[0031]
FIG. 7 shows a first state in which both the second electrode 4 and the
[0032]
According to the detection apparatus shown in FIG. 7, when the detected
[0033]
Switching means 32In the case of using together, in the figure, a mechanical changeover switch is used as the switching means, and the configuration in which the connection path between the electrode and the circuit is mechanically changed is shown. A method of changing the applied voltage by incorporating a logic IC, a method of switching a circuit with an analog switch, a method of changing a circuit-mounted component, or the like can also be adopted.
[0034]
【The invention's effect】
The present invention can be implemented and used as described above. In the capacitance type detection device according to the first aspect of the present invention, the detected dielectric does not exist at the detection position, but the inner side of the detection electrode. When there is a dielectric layer due to wetting or dirt along the inner surface of the non-conductive partition wall, the potential of the second electrode to which a rectangular wave voltage having the same frequency as the rectangular wave voltage applied to the detection electrode is applied Since the RC circuit passing through the dielectric layer due to wetting or the like can be cut off, the dielectric layer due to wetting or dirt formed on the inner surface of the non-conductive partition wall is not detected by the detection electrode.
[0035]
In addition, a third electrode is disposed so as to cover the back side of the detection electrode, and a rectangular wave voltage having the same frequency as the rectangular wave voltage applied to the detection electrode is applied to the third electrode in the same manner as the second electrode. Is applied so that there is no capacitance on the back side of the detection electrode, the influence of the fixed capacitance on the circuit on the back side of the detection electrode is eliminated, and the potential of the third electrode is the detection electrode itself. As in the case of the guard effect on the front side of the detection electrode, that is, the above-mentioned action by the second electrode around the detection electrode, the dielectric layer such as the container wall on the front side of the detection electrode and the dirt on the inner surface thereof As a result, the same effect as that of increasing the guard effect by increasing the area of the second electrode around the detection electrode can be obtained. In other words, the size of the detector determined by the area of the second electrode around the detection electrode can be reduced by making the second electrode smaller.
[0036]
That is, according to the configuration of the present invention as set forth in
[0037]
When the dielectric to be detected is a powder or the like having a small relative dielectric constant, which is considered not to be grounded in a high frequency circuit, the dielectric to be detected is caused by the guard action of the second electrode around the detection electrode. The amount of change in capacitance between the detection electrode and the detection electrode is reduced, and the detection sensitivity decreases accordingly. In this case, when the third electrode disposed on the back of the detection electrode is connected to the second electrode as described above, the decrease in detection sensitivity becomes more remarkable. Of course, the granular material layer adhering to the inner surface of the container must not be detected.
[0038]
Thus, as described in
[0039]
And according to the structure of this invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of an entire apparatus showing a first embodiment.
FIG. 2A is a schematic longitudinal sectional side view for explaining the configuration of a detector, and FIG.
FIG. 3A is a longitudinal side view of a main part for explaining a state in which there is a dielectric to be detected above the detection level. FIG. 3B is a state in which there is no dielectric to be detected at the detection level and there is a dielectric layer such as dirt. FIG.
FIG. 4 is a diagram for explaining voltage waveforms at respective terminals in a state where a detected dielectric is present and in a state where a detected dielectric is present;
FIG. 5 is a diagram for explaining voltage waveforms at each terminal in a state where there is no detected dielectric at the detection level and there is a dielectric layer such as dirt.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of a second embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the configuration of a third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Detector
2 Circuit board
3 detection electrodes
4 Second electrode
5 Third electrode
6 Plastic case
7 Second board
8 Pin connector also used as a spacer
9 Third board
16 Rectangular wave voltage generation circuit (guard voltage generation means)
17 resistors
18 Phase inversion / waveform shaping circuit
19 Phase inversion / waveform shaping circuit
20 Variable resistor (guard voltage generating means)
21 Comparison circuit
22 ON / OFF signal generator
23 Output circuit
24 Phase inversion / waveform shaping circuit (guard voltage generating means)
26 Dielectric to be detected
27 containers
27a Enclosure made of non-conductive material
28 Dielectric layers such as dirt
30 Guard voltage generating means
31 Ground terminal
32 Switching means
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