JP2015536469A - センサ素子および同センサ素子を備えた静電容量センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、電極（３）を挟み込んだ２層以上の基板（２）を含む、静電容量センサのセンサ素子（１）に関する。センサ素子（１）は、加熱素子（５）が統合されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、電極が内部または間に組み込まれた２層以上の基板からなる、静電容量センサのセンサ素子に関する。
さらに、本発明は、同センサ素子を備えた静電容量センサに関する。

静電容量センサは、通常、表面電極と共に設計される。
特に過酷な環境では、電極をガラス等の後ろに配置したり、電極にプラスチックやセラミックなどの適切な非金属保護キャップを設けたりするのが、最新の技術である。
特に好ましい種類のセンサ構成が、特許文献１より公知である。
このセンサ構成では、静電容量距離センサの電極が、複数のセラミック層を含むセンサ素子に統合されている。

静電容量距離センサまたは静電容量位置センサは、静電容量が以下のように評価される平板コンデンサの原則に従って動作する。

測定値の距離ｄは、電極の表面積Ａと共に評価される。
媒質の比誘電率ε_ｒは、測定値にパラメータとして含まれる。

この式より、距離または位置の信号が、適切な電子機器を利用して作り出される。
平板コンデンサの静電容量が、測定対象の位置だけでなく、測定ギャップにある媒質の誘電特性にも依存するため、このようなのセンサは、媒質の誘電特性の変化に敏感である。
ここで、特に重要なのは、水の存在である。
なぜなら、水は、比誘電率がε_ｒ＝８１ときわめて高いため、静電容量に大きな影響を与え、結果として測定信号に大きな影響を与える。

静電容量センサの設計は、単純な測定電極を備えたもの、追加のガード電極（ガード原理）を備えたもの、外部接地電極を備えたものなど、きわめて多様である。

たとえば、静電容量センサによる測定をきわめて湿潤な環境で行ったり、水面で直接行ったりする場合は、凝結を想定しなければならない。
凝結は、表面の清浄度、温度変化、表面活性等のさまざまなパラメータに依存する非線形の効果を有する。
よって、水の凝結が発生すると、測定信号が変化する。
関連する原理により、高い分解能を備える静電容量センサは、高い精度が求められる測定作業でしばしば使用されるため、凝結は、測定信号に明白な悪影響を与える。

このとき、保護キャップまたはカバーは、破壊的な媒質が測定ギャップに存在する場合は無力であるため、役に立たない。
媒質が電極の間に位置すると、直ちに、静電容量が変化し、それと共に測定値が変化する。
この既知の効果により、通常、静電容量センサは、湿気が生じない環境で使用される。
しかし、分解能がきわめて高い測定では、特に、わずかな量の凝結であっても悪影響が生じる可能性がある。
このようなことは、たとえば、気象条件に起因して、湿度が高い場所での産業用途で起こる可能性がある。

１つの特殊な用途は、静水レベル測定（ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｌｅｖｅｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）とも呼ばれる、水レベル計（ｗａｔｅｒ ｓｃａｌｅ）による水面に対するレベル測定のための静電容量センサの使用である。
そのような水レベル計は、きわめて高度な均等性が求められ、より詳細には、局所重力への正確な位置合わせが求められるため、大型加速器等の大規模設備で使用される。

静水レベル測定を備えたそのような装置は、特許文献２より公知である。

パイプを連通するシステムが、設備に分散した測定タンクを相互に連結する。
内部には水があり、パイプ内の水面が広範に分枝した水レベル計を表し、それによって設備の水平位置合わせが確認される。

静電容量位置センサは、水面の上方にある取付具により内部に配置される。
静電容量位置センサは、保護コーティングで皮膜される。
パワートランジスタが、凝結を防ぐ加熱器として、静電容量位置センサの背面に設けられる。
ただし、この既知の解決策は、複数の構成要素を組み立てなければならないため、設計および製造が複雑である。
何より、素子の取り付けを後で行うため、特に測定素子への水の侵入を防ぐための密封という点で、ミスが起こりやすくなる。
加熱トランジスタを背面に取り付けると、熱入力が均一とならず、使用されている材料の熱膨張によって、静電容量位置センサの表面に膨らみが形成される可能性がある。
これにより、表面への距離が変化し、よって測定値が変化する。
膨らみは、測定値に無視できない歪みをもたらすため、静電容量センサにとって、特に、不都合である。

静水レベル測定は、閉システムにおける水面に対する測定である。
この測定は、数ミリメートルの測定範囲であっても、０．１μｍ未満の分解能を提供し、長期にわたる安定性を確保しなければならない。
水に対する永続的な測定は、対向する静電容量位置センサでの凝結に必然的につながる。
凝結は、一般的には、変動相殺（ｓｌｉｄｉｎｇ ｏｆｆｓｅｔ）として較正される。
しかし、要求される安定性により、このような補正は生産的でない。

凝結の問題は、追加の加熱素子により回避することができる。
これにより、静電容量位置センサは、その環境よりもわずかに高い温度に維持され、凝結が防止される。

経験上、表面がむき出しになった（電極が露出した）静電容量位置センサは、たとえ加熱しても、長期にわたる安定した動作を発揮できないことがわかっている。
理由として、加熱にも関わらず、温度が大きく変化することに起因する湿気の侵入や、水はね、注水時の水面揺動などが考えられる。
侵入した湿気は、センサドリフトにつながる。
熱出力によっては、このセンサドリフトを再び部分的に取り除くことができる。
また、汚れも、低インピーダンスにつながる可能性があり、静電容量位置センサの機能に長期的な悪影響を与えかねない。
このことから、従来技術では、電極の前に追加の保護素子を設けている。
加熱された静電容量位置センサと保護コーティングとの間のセーフティゾーン（たとえば、空隙）を計画時に考慮すると、有効な測定範囲が減少する。
保護コーティングを静電容量位置センサに直接設けると、その保護コーティングに熱が伝わり、静電容量位置センサの機能が変化するおそれがある。

独国特許第１０ ２００９ ０６０００２号 米国特許出願第５，０９０，１２８（Ａ）号

よって、本発明は、高分解能の安定した測定を長期にわたり行うために、静電容量式のセンサ素子および同センサ素子を備えた静電容量センサを提供するという課題に基づく。
そのような静電容量センサは、特に、静水レベル測定に適している。

上述した課題は、独立請求項１および１０の特徴により解決される。
これによると、汎用センサ素子は、加熱素子がセンサ素子に統合されていることを特徴とする。
本発明による静電容量センサは、そのようなセンサ素子を含む。

本発明によると、加熱素子は、静電容量センサ内に配置されていることが必須である。
加熱素子は、センサ素子の中央に配置するのが有利である。

従来技術で問題となる表面の凝結は、露点、あるいは露点温度に依存する。
凝結は、対応する表面を周囲の湿った空気よりもわずかに高い温度に維持することで、防止される。
これにより、露点よりも低い温度が回避される。
凝結の問題は、静電容量センサ内の（オーム抵抗）加熱素子により解決される。
これにより、静電容量センサが、その環境よりもわずかに高い温度に維持され、凝結が確実に防止される。

本発明によると、加熱素子は、１つの組立工程でセンサ素子に挿入される。

電極（測定電極、ならびに必要に応じてガード電極および／または接地電極）と加熱器とは、追加の密封コーティングを施すことが可能な１つのコンパクトな多層センサ素子に統合される。
各層は、１つの接合工程で加圧および焼結され、それによって完全な不浸透性が実現する。

加熱器は、電流が流れる適切な材料のストリップ導体からなる。
導体ストリップのオーム抵抗により、電気エネルギーが、センサ素子を温める熱に変換される。
加熱器は、多層素子の中心に挿入される。
これにより、不均一な熱入力による測定素子の変形が、事実上排除される。
焼結により、電極の密封コーティングは、静電容量センサに永続的に連結される。
適切な統合を利用することで、熱出力を低く保つことができる。
セラミックは、概して良好な熱伝導性を備えているため、熱分散が均一である。
加熱コイルは、表面全体および１または複数のレベルを網羅するストリップ導体として構成することができる。
ストリップ導体は、単一の加熱面として構成することも可能である。

静電容量センサの構造は、ＦＲ４等の標準的なプリント回路基板材料などのさまざまな材料で実装することができる。
特に好ましい構造は、ＬＴＣＣまたはＨＴＣＣ設計等のセラミック層で実現される。
セラミックまたはガラスセラミックで作製された焼結センサは、化学的に安定している。

各層は、相互に干渉しない態様で構成される。
よって、加熱コイルは、磁界が生じるのを防ぐために、たとえば、二本巻きの態様で構成される。
静電容量電極は、規定の電位に維持された導電遮蔽層により、さらに遮蔽することができる。

加熱器には、交流電流または直流電流を供給することができる。
交流電流を使用するには、回路を少し複雑にする必要があり、静電容量測定信号に影響が及ぶ可能性がある。
一方、直流電流を使用すると、エレクトロマイグレーションが発生する可能性がある。
どちらの電源を選択するかは、用途によって決まる。
本例、すなわち、静水レベル測定では、中間遮蔽がなくても静電容量センサに悪影響を与えない直流電流を加熱コイルに適用する。

保護コーティングを統合電極に直接適用した場合、測定範囲の損失は、ほとんどない。
ＬＴＣＣ工程により、たとえば、厚さわずか２５μｍのセラミックフィルムを使用して、保護コーティングをきわめて薄く維持することができる。

熱出力は、環境条件に応じて規制することができる。
たとえば、測定が高い湿度のみで行われる場合は、出力を下げることができる。

露点は、環境温度に依存するため、環境温度の変化に応じて熱出力を規制し、すなわち、適応させ、常に適切な量の熱出力が凝結を防ぐために必要とされるようにすることが好ましい。
この制御は、定電流により実装することができる。
変化する環境温度に対応できるようにするために、温度を測定することが必要となる可能性がある。
センサ素子の表面の温度は、環境温度よりもわずかに高くなければならない。
センサ素子の加熱器により交換される熱は、放射および／または対流を通じて、センサ素子の表面に分散する。
これにより、センサ素子で温度勾配が形成される。
外部の温度は、この温度勾配を利用して、表面に近い位置の温度を測定することにより判断することができる。
温度測定は、静電容量センサの静電容量電極を通じて、特に有利な態様で行うことができる。
電極のオーム抵抗は、実際の位置測定のために交流電流信号に直流電流を重ねることによって測定することができる。
この測定は、温度に依存し、よって温度を判断するために使用することができる。

これにより、熱出力の制御を、特に、簡素かつコスト効果が高い態様で実現することができる。
ただし、定電流制御など、他の既知の種類の制御も可能である。

環境条件が一定の場合、すなわち、環境温度が変動しないか、または変動がごくわずかである場合は、制御を省略することができる。
その場合、加熱は、実験に基づいて判断された熱出力を使用して発生させることができる。
これは、環境条件およびセンサの組立条件に依存する。

本明細書に記載された解決策は、簡潔であり、かつ確実に動作する。
なぜなら、すべての構成要素が密封された本体に焼結され、湿気に対して最適に保護されるからである。

加熱器の活性化と、静電容量測定信号の分析とは、異なる位置に配置することができる。
測定システムの筐体の上部に直接統合すると有利である。
ただし、使用されている技術では、測定素子の背面に、電子機器を部分的または完全に直接取り付けることもできる。
電子評価ユニットの熱により、熱出力を減らすか、または省略することができる。

本発明の教示を好ましい態様で実施し、さらに発展させる方法は、いくつも存在する。
請求項１の従属項、および本発明の好ましい設計例についての図面を用いた以下の説明を参照されたい。
図面を用いた好ましい設計例の説明と共に、教示の好ましい実施形態、および、さらなる展開について全体的に説明する。
図面の内容は、以下のとおりである。

静水レベル測定に用いる水レベル計の静電容量センサの設計例を示す断面図である。 電極および加熱素子が統合された複数層の基板を備える、図１のセンサのセンサ素子の設計例を示す概略図である。

図１は、静水レベル測定に用いる水レベル計における本発明のセンサ素子の使用を示す。
使用されているセンサ素子は、図２に詳細に示されている。

図１の断面図は、センサ素子１の静水レベル測定における具体的な用途を示しており、対応する水レベル計が図１で符号７により示されている。

水面の高さ、すなわち、水位１０に対する測定を行うセンサ素子１は、水レベル計７の必須の構成要素の１つである。

センサ素子１は、センサ素子台８により保持され、センサ素子台８は、中間取付具１１により測定システムの上部１２に連結されている。
測定システムの上部１２の壁にコネクタプラグ１５（外部）が設けられており、これによって、静電容量センサの信号用配線１３と、静電容量センサに設けられた加熱素子の電源用配線１４とが、センサ素子１とコネクタプラグ１５との間に伸びている。

測定システムの上部１２の内部に設けられた設置空間１７は、必要な電子機器の統合に使用することができる。

さらに図１は、筐体の下部の両側に連結ノズル１８が設けられ、この連結ノズル１８にホースである連結パイプ１６が取り付けられていることを示している。
水位１０は、連結パイプ１６および２つの連結ノズル１８を通じて測定システム全体に広がっており、センサ素子１は、水面に対する測定を行うことができる。
図１において、水位１０と、結果的に水面とは、黒い領域により示されている。

図２は、図１の測定システムで使用されるセンサ素子１を詳細に示している。

概要によると、センサ素子１は、統合された加熱器を含む。

詳細には、センサ素子１は、多層セラミック基板２でできており、電極３（測定電極）が統合されている。
加えて、ガード電極４が設けられている。

実装されたストリップ導体は、加熱素子５としてほぼ中央に位置するように設計されている。
この位置から、熱出力をどこか一方に偏ることなく、センサ素子１内に均等に分散させることができる。

さらに図２は、対電極６を略図で示している。

図２に示す加熱素子５の場合、対応する加熱素子５を抵抗加熱器として使用することにより実現される統合型の加熱装置を設けることが必須である。

本発明に係るセンサ素子および本発明に係る静電容量センサのその他の有利な実施形態については、反復を避けるために、明細書の概要部分および添付の特許請求の範囲を引用する。

最後に、本発明に係るセンサ素子および本発明に係る静電容量センサの上述した設計例は、特許請求の範囲に記載された教示を説明するためのものであるが、かかる教示をこの設計例に限定するものではないことに留意されたい。

１ センサ素子（加熱を統合）
２ 基板、多層セラミック基板
３ 電極、測定電極
４ ガード電極（ガード）
５ 加熱素子（二本巻きの態様で配置されたストリップ導体）
６ 対電極
７ 静水レベル測定
８ センサ素子台
９ 測定システムの基部
１０ 水位
１１ 中間取付具
１２ 測定システムの上部
１３ 静電容量センサの信号用配線
１４ 加熱素子の電源用配線
１５ コネクタプラグ（測定システムの上部の壁に位置）
１６ 測定システム間の連結パイプ、ホース
１７ 設置空間、電子機器の統合に使用可能
１８ 連結ノズル

Claims (11)

1. 電極（３）が組み込まれた２層以上の基板（２）を含む、静電容量センサのセンサ素子（１）であって、
   前記センサ素子（１）が、加熱素子（５）を統合していることを特徴とするセンサ素子（１）。
2. 前記加熱素子（５）が、前記センサ素子（１）の中央に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子（１）。
3. 前記基板（２）が、セラミックでできているか、またはプリント回路基板材料として設計されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ素子（１）。
4. 前記加熱素子（５）が、２本巻きコイルストリップ導体として設計されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のセンサ素子（１）。
5. 前記加熱素子（５）が、加熱面として設計されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のセンサ素子（１）。
6. 前記加熱素子（５）が、制御装置により規制可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のセンサ素子（１）。
7. 前記制御装置が、一定の電流で動作することを特徴とする請求項６に記載のセンサ素子（１）。
8. 前記制御装置が、追加の温度センサを備えていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のセンサ素子（１）。
9. 前記静電容量センサの１つの電極（３）が、直流電源を備えた温度センサとして設計されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のセンサ素子（１）。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載されたセンサ素子（１）を備えた静電容量センサ。
11. 静水レベル測定（７）における用途のための、詳細には水レベル計の構成要素としての、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の静電容量センサシステムまたは静電容量センサ。