(57)【要約】【課題】安価な回路構成で楕円歯車の回転量を検出でき、また筐体内の洗浄等、オーバーホールの頻度を大幅に低減することができる、流量センサを提供する。【解決手段】角度位置によって半径が異なり不連続な切り欠きを有する、導体で形成された螺旋状のカム箔導体箔を楕円歯車に貼付する。そして、隔壁を介して発振回路の一部を構成する空芯コイルをカム箔導体箔の近傍に配置する。楕円歯車が流体の流れに呼応して回転すると、楕円歯車の角度位置によって、空芯コイルの円周範囲内に含まれているカム箔導体箔の面積が増減する。この面積の増減に呼応して、発振回路が出力する信号の周波数も増減する。信号をＦＶ変換回路で周波数変動信号に変換した後、マイコン等で構成する流量積算装置にて、カム箔導体箔の不連続な切り欠きに相当する、信号の時間軸上の位置を検出する。【選択図】図１
2020098134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の圧力により回転する単一または複数の回転体と、
前記回転体を回転可能に収容する空間を有し、この空間を流体が通過することによって、
前記回転体が回転する作動室を含む筐体と、
前記筐体から流体の漏出を防ぐ隔壁と、
単一または複数の被検出部をなす前記回転体の回転様相を検出するコイルと
を有する流量センサ。
【請求項２】
前記回転体の回転被検出部として、薄板を回転体側面に貼付または形成した、
請求項1に記載の流量センサ。
【請求項３】
前記回転体側面の回転被検出部として、回転の円周方向に等分割し、前記等分割された間隔で導体材質部を配置した形状を有する、
請求項１または２に記載の流量センサ。
【請求項４】
前記回転体側面の回転被検出部は、円周方向に半径が増加して一部に単一または複数の不連続な箇所を有する略螺旋状の形状を有する、
請求項１または２に記載の流量センサ。
【請求項５】
前記回転体側面の回転被検出部として、同一の材質にメッシュ状またはスリット状の加工を施した、
請求項１または２に記載の流量センサ。
【請求項６】
前記回転体が、同一の歯車形状であり、嵌合しあう二つの歯車からなる、
請求項１に記載の流量センサ。
【請求項７】
増加函数か、減少函数かを検出することにより流量の方向判別を可能にした、
請求項３または４に記載の流量センサ。
【請求項８】
流体圧力により回転する回転体の周辺に歯車様の形状を設けることにより高分解能の流量計測を可能にした、
請求項１に記載の流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体及び／または気体及び／または粉体、すなわち流体の流量を計測する流量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
水道、ガス、各種燃料等、様々な流体の流量を計測するために、流量センサは極めて重要である。流体の流量を正確に計測することができる楕円形歯車式流量計は、昭和３０年代から現在も使われ続けているポピュラーな流量計であり、また楕円形歯車の改良等に関する、多数の特許出願、実用新案出願が存在する。以下、楕円形歯車式流量計に使用される、楕円歯車を用いた流量センサを、楕円歯車流量センサと略す。
出願人も、この楕円歯車流量センサに流量計測機器を組み合わせた楕円形歯車式流量計を製造販売している。
【０００３】
特許文献１には、本発明の従来技術に相当する、楕円歯車流量センサの技術が開示されている。
特許文献２と特許文献３には、光学式流量センサに関する技術が開示されている。
特許文献４と特許文献５には、磁気式流量センサに関する技術が開示されている。
非特許文献１には、本発明の従来技術に相当する、楕円歯車流量センサの動作原理が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭３１−６２８４号公報
【特許文献２】特開平０７−１９０８２９号公報
【特許文献３】特開２００５−２０１７８０号公報
【特許文献４】特表２００８−５０１９３９号公報
【特許文献５】特開２００５−３２１３２９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「容積式小型精密流量計」ココリサーチ株式会社［２０１７年１月１９日検索］、インターネット＜URL:http://www.cocores.co.jp/data/goodsimg/c0039_c.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
楕円歯車流量センサを構成する楕円歯車は、流体が通過する筐体内に収容される。できるだけ流体の流速及び圧力を阻害しないために、楕円歯車はできるだけ軽く形成する必要がある。またこのために、楕円歯車の回転を検出するための手段は、楕円歯車に対して非接触で楕円歯車の回転を検出することが求められる。
隔壁によって隔てられた回転体の回転を非接触で検出するには、隔壁を通過する媒体を使用する。その媒体として、前述の特許文献２及び３に開示されるように光を用いる方法と、前述の特許文献４及び５に開示されるように磁力を用いる方法がある。
【０００７】
図１３は、従来技術による楕円歯車流量センサの動作原理を示す概略図である。なお、図１３及び後述する図１４では、筐体の一部を形成する隔壁の記載を省略している。
楕円歯車１３０１の片面には、鋸歯状の反射板１３０２が貼り付けられている。この反射板１３０２に図示しない隔壁を通じて光を照射し、その反射光を、図示しない隔壁を通じて光センサ１３０３で受光する。光センサ１３０３は、反射板１３０２の円周に形成されている鋸歯状突起によって、概ね矩形波状の光の強弱を検出する。
図１３に示す光検出方式の楕円歯車流量センサには、流体内に塵埃が混じっている場合に、反射板１３０２に塵埃が付着して光センサ１３０３の検出信号に影響が生じるという問題が発生する。また、流体内に混じっている塵埃が楕円歯車１３０１の回転にも影響を与えるという欠点もある。また、流体が光を遮る粉体である場合には、光センサ１３０３を用いることは不可能である。
【０００８】
図１４は、従来技術による楕円歯車流量センサの動作原理を示す概略図である。
楕円歯車１４０１の片面には、小さい磁石１４０２が埋め込まれている。この磁石１４０２から生じる磁界を図示しない隔壁を通じて、ホール素子等の磁気センサ１４０３で受信する。磁気センサ１４０３は、磁石１４０２が近接している時と離間している時とで異なる電圧レベルの信号を出力する。
図１４に示す磁気検出方式の楕円歯車流量センサには、流体内に砂鉄等の強磁性塵埃が混じっている場合に、磁石１４０２に塵埃が付着して磁気センサ１４０３の検出信号に影響が出るという問題が発生する。また、強磁性の塵埃が楕円歯車１４０１の回転にも影響を与えることも起こり得る。
【０００９】
本発明はかかる課題を解決し、安価な回路構成で歯車の回転量を検出でき、また筐体内の洗浄等、オーバーホールの頻度を大幅に低減することができる流量センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の流量センサは、流体の圧力により回転する単一または複数の回転体と、回転体を回転可能に収容する空間を有し、この空間を流体が通過することによって、回転体が回転する作動室を含む筐体と、筐体から流体の漏出を防ぐ隔壁と、単一または複数の被検出部をなす回転体の回転様相を検出するコイルとを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、安価な回路構成で歯車の回転量を検出でき、また筐体内の洗浄等、オーバーホールの頻度を大幅に低減することが可能な流量センサを提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサの概略図である。
【図２】楕円歯車流量センサの分解斜視図である。
【図３】楕円歯車の斜視図と導体箔の拡大図である。
【図４】楕円歯車流量センサに使用される発振回路の一例と、後続する信号処理を示すブロック図である。
【図５】楕円歯車流量センサに流体が流入する過程と、楕円歯車と共に導体箔が回転する様子を示す図である。
【図６】楕円歯車流量センサの動作原理を説明する概略図である。
【図７】導体箔の回転によってＦＶ変換回路から出力される周波数変動信号の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の第二の実施形態に係る楕円歯車流量センサにおける、第一楕円歯車及び第二楕円歯車の拡大図である。
【図９】第一のＦＶ変換回路及び第二のＦＶ変換回路の出力信号の電圧を概略的に示すグラフである。
【図１０】第一の実施形態の変形例に係る導体箔円板の上面図と、導体箔円板が装着された楕円歯車の上面図と、第一の実施形態の更なる変形例に係る導体箔円板の上面図と、第二の実施形態の変形例に係る導体箔円板の上面図である。
【図１１】本発明の第三の実施形態に係る導体箔円板の上面図と、導体箔円板と空芯コイルの配置関係を示す概略図である。
【図１２】第一空芯コイル及び第二空芯コイルからＦＶ変換回路を通じて得られる周波数変動信号の交流成分を示すタイムチャートと、周波数変動信号に所定の波形整形処理を行った結果得られるパルス波形を示すタイムチャートである。
【図１３】従来技術による楕円歯車流量センサの動作原理を説明する概略図である。
【図１４】従来技術による楕円歯車流量センサの動作原理を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第一の実施形態：楕円歯車流量センサ１０１］
図１は、本発明の第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ１０１の概略図である。
図２は、楕円歯車流量センサ１０１の分解斜視図である。
図１及び図２に示すように、本発明の第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ１０１は、第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂと、第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂを収容すると共に流体が通過する筐体１０３と、筐体１０３内の第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂを封止する隔壁１０４と、隔壁１０４の外側に貼り付けられる第一空芯コイル１０５ａ及び第二空芯コイル１０５ｂで構成される。
なお、これ以降、第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂを区別しない場合には、楕円歯車１０２と呼ぶ。同様に、これ以降、第一空芯コイル１０５ａ及び第二空芯コイル１０５ｂを区別しない場合には、空芯コイル１０５と呼ぶ。
【００１４】
図１及び図２に示すように、筐体１０３の側面には流体が流入または吐出される第一出入口１０６と第二出入口１０７が設けられている。そして筐体１０３の内部には第一出入口１０６及び／または第二出入口１０７から流入する流体が通過する空間である作動室１０３ａが設けられている。この作動室１０３ａには、第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂが収容され、それぞれ図示しない軸によって回転可能に支持される。第一楕円歯車１０２ａと第二楕円歯車１０２ｂは作動室１０３ａの中で互いに噛み合っている。
作動室１０３ａの周縁部分には、隔壁１０４と密着させるための図示しないパッキンが装着される円周状の溝１０３ｂが設けられている。
【００１５】
第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂの側面にはカムの形状を有する導体の薄板で形成された導体箔２０１が貼付されている。そして、隔壁１０４を介して第一空芯コイル１０５ａ及び第二空芯コイル１０５ｂが配置される。導体箔２０１は、角度位置によって半径が異なる渦巻き状の形状を有する（図３参照）。
空芯コイル１０５は、発振回路１０８の一部を構成する。そして、発振回路１０８の出力信号は周波数電圧変換回路（以下「ＦＶ変換回路」と略す、図１も同様。）１０９に供給される。ＦＶ変換回路１０９は発振回路１０８の出力信号の周波数の変化を電圧の変化に変換して、周波数変動信号を出力する。ＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号を、例えばマイコンのアナログ入力端子に入力させて、電圧の変化を検出することで、楕円歯車１０２の回転を検出する（図４にて後述）。
【００１６】
すなわち、本発明の第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ１０１は、従来技術とは異なり、電磁誘導という物理現象を用いて楕円歯車１０２の回転を検出している。ここでは、楕円歯車１０２の回転検出に光も磁力も必要とされない。したがって、光センサの弱点である、光を遮る流体や塵埃に強い。また、磁気センサの弱点である、砂鉄や赤錆等の磁性塵埃にも強いという利点を持つ。
楕円歯車１０２の回転を検出する媒体として電磁誘導を利用するため、導体箔２０１はアルミ箔や銅箔等の金属箔が好ましい。楕円歯車流量センサ１０１に通す流体の性質によっては、流体による導体箔２０１の腐食を防ぐために、銅箔にはメッキ処理を施す他、合成樹脂等でコーティングする等の腐食対策が必要になる。一方、隔壁１０４は電磁誘導を邪魔しないために、合成樹脂やセラミック等の絶縁体である必要がある。なお、楕円歯車１０２は高い精度を達成するために炭素繊維強化プラスチックで構成されている。炭素繊維強化プラスチックは電気伝導性を有するが、金属箔で形成される導体箔２０１よりも抵抗率が高いので、楕円歯車１０２は導体箔２０１と比較して渦電流が生じ難い。
【００１７】
なお、筐体１０３は、出願人が現在製造販売中である従来型の楕円歯車流量センサと同様に、アルミダイカストや真鍮等の、密閉性とノイズシールド性が高い材質を用いることが好ましい。筐体１０３の材質がアルミダイカストの場合、苛性ソーダ等のアルカリ性液体の測定は不可能である。なぜなら、アルカリ性液体がアルミダイカストの筐体１０３を腐食してしまうからである。しかしながら、筐体１０３に、アルカリ耐食性を有する材質を用いれば、苛性ソーダ等のアルカリ性液体の測定も可能になる。すなわち、測定対象となる流体の性質に応じて、筐体１０３、第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂ、そして隔壁１０４の材質を適切に選定することで、多種多様な流体への対応が可能になる。
【００１８】
［導体箔２０１］
図３Ａは、楕円歯車１０２の斜視図である。図３Ｂは、導体箔２０１の拡大図である。
図３Ａに示すように、前述の通り、楕円歯車１０２には導体で形成された渦巻き状の形状を有する導体箔２０１が貼付されている。この導体箔２０１は、図３Ｂに示すように、機械部品のカムに似た、不連続な切り欠き２０１ａを有する。導体箔２０１は、半径が最小の位置Ｐ３０１から徐々に大きくなって、最大半径の位置Ｐ３０２に至ったら切り欠き２０１ａの部分で最小半径に至る構造となっている。
【００１９】
［信号処理］
図４は、楕円歯車流量センサ１０１に使用される発振回路１０８の一例と、後続する信号処理を示すブロック図である。
発振回路１０８は、周知のコルピッツ発振器で構成される。
ＤＣ電源Ｅ４０１のプラス側ノードには、ＮＰＮトランジスタであるトランジスタ４０２のベースと、空芯コイル１０５の一端が接続されている。
トランジスタ４０２のコレクタには、空芯コイル１０５の他端と、コンデンサＣ４０４の一端が接続されている。
トランジスタ４０２のエミッタには、コンデンサＣ４０４の他端と、コンデンサＣ４０５の一端と、抵抗Ｒ４０６の一端が接続されている。
コンデンサＣ４０５の他端と、抵抗Ｒ４０６の他端は接地されており、接地ノードを通じてＤＣ電源Ｅ４０１のマイナス側ノードと接続されている。
トランジスタ４０２のエミッタは、コルピッツ発振器の発振信号出力端子となる。
【００２０】
周知のように、コルピッツ発振器はコイルとコンデンサから構成された並列共振回路の共振周波数で発振する。すなわち、空芯コイルは、コルピッツ発振器の発振周波数を決定する一要素である。
図４に示す発振回路１０８の周波数ｆは、空芯コイル１０５のインダクタンス（誘導係数）をＬ４０３として、以下の式で求められる。
【００２１】
【数１】
2020098134.tif 000003
【００２２】
コルピッツ発振器の一部を構成する空芯コイル１０５に導体が近接すると、空芯コイル１０５から発生する電磁波によって、導体に渦電流が生じる。つまり、空芯コイル１０５に近接する導体である導体箔２０１に渦電流が生じる。この渦電流は熱となって、空芯コイル１０５に対してエネルギーの損失を生じさせる。すると、空芯コイル１０５のインダクタンスは導体である導体箔２０１に発生する渦電流の大小に応じて増減する。導体箔２０１に発生する渦電流が大きくなると空芯コイル１０５のインダクタンスは下がり、渦電流が小さくなると空芯コイル１０５のインダクタンスは上がる。
導体箔２０１に発生する渦電流によるエネルギー損失、すなわち空芯コイル１０５に生じるエネルギーの損失は、空芯コイル１０５と導体箔２０１が交わる面積の大小に応じて上下する。このエネルギー損失の上下は、空芯コイル１０５のインダクタンスの上下に通じる。したがって、導体箔２０１の回転位置に応じて、発振回路１０８が出力する信号の周波数が上下する。
【００２３】
発振回路１０８の回路構成は、コルピッツ発振器に限らない。上述の説明でわかるように、空芯コイル１０５のインダクタンスが発振周波数を決定する要素になる発振回路であれば、コルピッツ発振器でなくともよい。例えば、コルピッツ発振器と対になるハートレー発振器の他、フランクリン発振器、同調型発振器等を利用してもよい。また、増幅用の素子もバイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴ等の半導体増幅素子に限らず、無安定マルチバイブレータや５５５等のＩＣを利用してもよい。
【００２４】
発振回路１０８の出力端子であるトランジスタ４０２のエミッタには、ＦＶ変換回路１０９が接続される。ＦＶ変換回路１０９は、入力信号の周波数に応じた電圧である周波数変動信号を出力する。ＦＶ変換回路１０９は古くから用いられているオペアンプの反転増幅器にダイオードよりなるチャージポンプを用いた回路の他、市場に広く流通し、容易に入手可能なＦＶ変換用ＩＣやＦＶ変換モジュール等を利用してもよい。
また、発振回路１０８に使用するトランジスタ４０２は、例えば２ＳＣ１８１５等の、安価で容易に入手可能な汎用小信号バイポーラトランジスタが利用可能である。すなわち、図４において使用する回路素子に、特殊な性能を要求するような高価なものは不要である。
なお、ＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号における出力電圧の正確性は余り問わない。この理由については後述する。
【００２５】
発振回路１０８が出力する信号の発振周波数は、なるべく高い方が望ましい。なぜなら、楕円歯車１０２の回転を明確に検出するためには、ＦＶ変換回路１０９から得られる周波数変動信号の電圧変動幅を大きく採る必要があり、そのためには発振回路１０８の周波数変動幅を大きく採る必要があるからである。例えば、汎用小信号バイポーラトランジスタを用いるコルピッツ発振器の場合、１〜１０ＭＨｚ程度まで発振周波数を上げることが可能である。
【００２６】
図１及び図２に示す様に、楕円歯車流量センサ１０１には楕円歯車１０２が２個使用されている。一方の楕円歯車１０２にのみ導体箔２０１を貼付して、空芯コイル１０５に接続された発振回路１０８とＦＶ変換回路１０９を用意しても良いが、本発明の第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ１０１では、より正確な流量の計測を行うため、２個の楕円歯車１０２にそれぞれ導体箔２０１を貼付し、導体箔２０１に対応する空芯コイル１０５、発振回路１０８、ＦＶ変換回路１０９を設けている。
【００２７】
第一のＦＶ変換回路１０９ａが出力する周波数変動信号と、第二のＦＶ変換回路１０９ｂが出力する周波数変動信号は、それぞれマイコンよりなる流量積算装置４０７に供給される。流量積算装置４０７は、第一のＦＶ変換回路１０９ａの周波数変動信号と、第二のＦＶ変換回路１０９ｂの周波数変動信号をそれぞれＡ／Ｄ変換した後、得られたデータの時間軸上において不連続な箇所を検出することで、信号に含まれる導体箔２０１の切り欠き２０１ａを検出する。導体箔２０１の切り欠き２０１ａは、楕円歯車１０２の回転を検出する指標となる。
【００２８】
［動作］
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄは、楕円歯車流量センサ１０１に流体が流入する過程と、楕円歯車１０２と共に導体箔２０１が回転する様子を示す図である。
図５Ａに示す様に、矢印Ｒ５０１方向から流体Ｆ５０２が楕円歯車流量センサ１０１の作動室１０３ａに流入すると、流体Ｆ５０２の流入側（第一出入口１０６）と吐出側（第二出入口１０７）に圧力差が生じる。この圧力差が第二楕円歯車１０２ｂに印加されることで、第二楕円歯車１０２ｂは反時計回りに回転する。すると、図５Ｂに示す様に、流体Ｆ５０２は作動室１０３ａの内壁と第二楕円歯車１０２ｂとの間に形成される計量空間Ａ５０３に閉じ込められる。
一方、第一楕円歯車１０２ａも圧力差によって時計回りに回転する。すると、図５Ｃに示す様に、第一楕円歯車１０２ａの回転力によって、計量空間Ａ５０３に閉じ込められた流体Ｆ５０２は、吐出側へ流出する。以上の動作が第一楕円歯車１０２ａと第二楕円歯車１０２ｂに交互に作用することで、楕円歯車１０２の回転に伴う流体Ｆ５０２の計量が実現できる。
【００２９】
楕円歯車１０２の回転に伴って、導体箔２０１も回転する。
図５Ａの時点では、第二楕円歯車１０２ｂに貼付されている導体箔２０１の、空芯コイル１０５の円周範囲内に含まれている箇所の面積Ａ５０４が最大に等しい。この、面積Ａ５０４は、図５Ｂ、図５Ｃと第二楕円歯車１０２ｂが回転するに連れて小さくなり、図５Ｄの時点が最小になる。
【００３０】
図６は、楕円歯車流量センサ１０１の動作原理を説明する概略図である。
図４で説明したように、コルピッツ発振器である発振回路１０８の一部を構成する空芯コイル１０５には凡そ１〜１０ＭＨｚ程度の高周波磁界が発生する。この空芯コイル１０５に、導体である導体箔２０１が近接すると、空芯コイル１０５から発生する高周波磁界Ｍ６０１によって、導体箔２０１に渦電流Ｉ６０２が生じる。この渦電流Ｉ６０２は熱となって、空芯コイル１０５に対してエネルギー損失を生じさせる。このエネルギー損失の大小によって、空芯コイル１０５のインダクタンスは上下する。すると、発振回路１０８の発振周波数も上下する。
【００３１】
空芯コイル１０５に生じる渦電流Ｉ６０２に基づくエネルギー損失は、空芯コイル１０５と導体箔２０１が交わる面積の大小に応じて上下する。ここで、図５を参照すると、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、そして図５Ｄと、導体箔２０１の、空芯コイル１０５の円周範囲内に含まれている箇所の面積Ａ５０４が減少するが、図５Ｄから図５Ａに至ると、導体箔２０１の切り欠き２０１ａが空芯コイル１０５の円周範囲内に含まれることで、面積Ａ５０４が逆に増大する。
【００３２】
図７は、導体箔２０１の回転によってＦＶ変換回路１０９から出力される周波数変動信号の一例を示すグラフである。縦軸は電圧値、横軸は時間を表している。
このグラフにおける電圧値は、発振回路１０８が出力する高周波信号の周波数に応じて変化する。そして、この電圧値は、図５の面積Ａ５０４の大きさにも相当する。
すなわち、面積Ａ５０４が小さいと、渦電流損失が小さくなるので、空芯コイル１０５のインダクタンスは大きくなり、発振回路１０８が出力する高周波信号の周波数が低くなる（時点Ｔ７０１）。
逆に、面積Ａ５０４が大きいと、渦電流損失が大きくなるので、空芯コイル１０５のインダクタンスは小さくなり、発振回路１０８が出力する高周波信号の周波数が高くなる（時点Ｔ７０２）。
したがって、図７のグラフ中、ボトム値を示す箇所、すなわち渦電流損失が最も小さい箇所である時点Ｔ７０１が図５Ｄに相当し、ピーク値を示す箇所、すなわち渦電流損失が最も大きい箇所である時点Ｔ７０２が図５Ａに相当する。
このように、回転体が１回転する際にピーク値を示す箇所とボトム値を示す箇所がそれぞれ１箇所ずつ存在する。これらの位置信号は、ロータリエンコーダにおけるインデックスパルスに相当するものである。
【００３３】
流量積算装置４０７は、ＦＶ変換回路１０９から出力される周波数変動信号をＡ／Ｄ変換した後、微分（現在値から直前値を減算する）して、微分値の極性が正から負に転換した時点の値をピーク値とし、微分値の極性が負から正に転換した時点の値をボトム値とする。ピーク値あるいはボトム値を計数することで、楕円歯車１０２の回転数が得られる。この回転数に計量空間Ａ５０３の容積を乗算すると、流体の流量が求められる。
このように、流量積算装置４０７ではピーク値とボトム値を検出できればよい、すなわち相対的な値の大小さえわかればよいので、ＦＶ変換回路１０９の正確性は問わない。
【００３４】
更に、ＦＶ変換回路１０９から出力される周波数変動信号について、時間軸上でピーク値とボトム値が現れる順番と時間間隔を観察することで、流体の流れる方向も判別可能である。流体の流れる方向が図５において逆方向（図５Ａの矢印と逆方向）になると、図７のグラフは表裏が逆になった波形になる。したがって、ピーク値からボトム値が現れるまでの時間と、ボトム値からピーク値が現れるまでの時間とを比較することで、流体の流れる方向が判別できる。
また、図７のグラフを見ると、楕円歯車１０２の回転角度に対し、ＦＶ変換回路１０９の出力電圧が概ね線形の対応関係になっている。このことから、ＦＶ変換回路１０９から出力される周波数変動信号をＡ／Ｄ変換した値を記憶することで、楕円歯車１０２の凡その回転角度を推測することが可能である。
【００３５】
なお、ＦＶ変換回路１０９を用いる代わりに、発振回路１０８の出力信号を直接マイコン（流量積算装置４０７）に入力させ、出力信号をパルスに見立てて、所定の微小時間におけるパルスの数を計数するか、パルスの周期を計時することで、ＦＶ変換回路１０９を用いることなくマイコンが直接発振回路１０８の出力信号の周波数あるいは周期を把握するように構成してもよい。
したがって、ＦＶ変換回路１０９は必ずしも必須の構成要件ではない。
【００３６】
［第二の実施形態：別の形態の導体箔］
図８は、本発明の第二の実施形態に係る楕円歯車流量センサにおける、第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂの拡大図である。
第二の実施形態に係る楕円歯車流量センサの機構部分は、第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ１０１と同一である。唯一、第一楕円歯車１０２ａ及び第二楕円歯車１０２ｂに貼付されている導体箔８０１ａ及び８０１ｂの形状が異なる。
図８に示す、第一楕円歯車１０２ａに貼付されている導体箔８０１ａ及び、第二楕円歯車１０２ｂに貼付されている導体箔８０１ｂは、第一の実施形態における導体箔２０１とは異なり、円周方向に等間隔で複数個設けられる、歯車状の突起８０２が形成されている。なお、これ以降、導体箔８０１ａと導体箔８０１ｂを区別しない時は導体箔８０１と称する。
空芯コイル１０５は、導体箔８０１に形成されている突起８０２を検出するように形成され、配置される。
空芯コイル１０５は、図４に示す第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ１０１と同じ、発振回路１０８の一部分を構成する。そして、発振回路１０８の出力信号は図４に示す第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ１０１と同様、ＦＶ変換回路１０９に供給され、周波数変動信号に変換される。
図８に示す導体箔８０１は、６個の突起８０２を有する。第一空芯コイル１０５ａ及び第二空芯コイル１０５ｂは、ＦＶ変換回路１０９から得られる周波数変動信号の電気角が概ね９０°の位相差を形成するように配置される。
【００３７】
図９は、第一のＦＶ変換回路１０９ａ及び第二のＦＶ変換回路１０９ｂが出力する周波数変動信号の電圧を概略的に示すグラフである。グラフの縦軸は電圧であり、横軸は時間である。図９中、波形Ｗ９０１は第一のＦＶ変換回路１０９ａの周波数変動信号の波形であり、波形Ｗ９０２は第二のＦＶ変換回路１０９ｂの周波数変動信号の波形である。
導体箔８０１が突起８０２を有する歯車形状であるため、空芯コイル１０５の円周範囲内に突起８０２が含まれているときには、発振回路１０８の出力信号の周波数は高くなり、ＦＶ変換回路１０９の周波数変動信号の電圧は高くなる。逆に、空芯コイル１０５の円周範囲内に突起８０２が含まれていないときには、発振回路１０８の出力信号の周波数は低くなり、ＦＶ変換回路１０９の周波数変動信号の電圧は低くなる。
【００３８】
ＦＶ変換回路１０９の周波数変動信号に９０°の位相差を設けることで、従来技術におけるロータリエンコーダと同様に、回転方向を検出することが可能になる。２個のセンサが両方共論理の偽の状態からどちらが先に論理の真になったのか（アップエッジ）を検出することで、回転方向を判定する。位相差入力方式あるいはＡ相Ｂ相パルス入力方式とも呼ばれる、周知のロータリエンコーダにおける回転方向検出技術である。すなわち、従来技術にて用いられるロータリエンコーダの信号処理回路やマイコンに内蔵されている回転方向検出機能がそのまま利用可能である。
【００３９】
なお、Ａ相Ｂ相パルス入力方式において周知ではあるが、Ａ相パルスとＢ相パルスの位相差は互いに回転方向が判別可能な位相差を有していればよいので、必ずしも９０°でなくてもよい。但し、位相差が０°と１８０°の場合は回転方向を識別できないので除外される。
【００４０】
［導体箔の変形例］
これより、第一の実施形態及び第二の実施形態にて開示した導体箔の変形例を示す。
図１０Ａは、第一の実施形態の変形例に係る導体箔円板１００１の上面図である。
図１０Ｂは、導体箔円板１００１が装着された楕円歯車１０２の上面図である。
図１０Ａ及び図１０Ｂでは、導体箔及び楕円歯車１０２の上面図のみが示されているが、図１０Ａに示す導体箔円板１００１は、例えば約０．５〜１．０ｍｍ程度の厚みを有する、アクリル等の耐薬品性を有する合成樹脂の円板１００２に、アルミ箔或は金メッキされた銅箔等よりなる導体箔１００３を貼付した構成である。
【００４１】
導体箔円板１００１に貼付されている導体箔１００３に形成されている穴１００３ａの形状は、第一の実施形態に係る導体箔２０１に類似しているが、メッシュ状の細かい穴１００３ａの集合体で形成されている点が異なる。しかし、メッシュ状であっても、発振回路１０８の発振周波数は空芯コイル１０５に近接する導体の面積に依存するので、第一の実施形態と同様に、楕円歯車１０２の回転位置に応じて発振回路１０８の発振周波数は変動する。
【００４２】
通常の流体や粉体の流量を測定するのであれば、導体箔円板１００１に貼付する導体箔１００３にはアルミ箔等の安価な材料が使用できる。しかし、塩酸や苛性ソーダ等の腐食性を有する流体の場合は、金箔や金メッキを施した銅箔等、腐食耐性を有する金属箔を使用する必要がある。測定する流体に応じて、適切な導体箔円板１００１を楕円歯車１０２に嵌め込むことで、楕円歯車１０２の製造プロセスを単一のものとしたまま、多種多様な流体に適応することが可能になる。すなわち、導体箔円板１００１の形状を共通化することで、用途に応じて様々なバリエーションを展開することが可能である。
【００４３】
図１０Ｃは、第一の実施形態の更なる変形例に係る導体箔円板１０１１の上面図である。
図１０Ｃに示す導体箔円板１０１１は、第一の実施形態に係る導体箔２０１に類似する。この図１０Ｃに示す導体箔の形状は、黒色に塗り潰した箇所１０１４を導体箔で形成しても、白色の箇所１０１３を導体箔で形成しても、どちらでもよい。合成樹脂の円板１００２に導体箔を貼付するので、どのような形状でも実現可能である。
【００４４】
図１０Ｄは、第二の実施形態の変形例に係る導体箔円板１０２１の上面図である。
第二の実施形態における導体箔８０１は歯車状の形状であったが、図１０Ｄに示す導体箔円板１０２１に貼付されている導体箔１０２３は、略台形形状の穴（欠損部１０２４）が等間隔に開けられている。すなわち、導体箔の形状に求められる要素は、円周方向に等間隔で複数箇所設けられる突起ではなく、円周方向に等間隔で複数箇所設けられる欠損部１０２４を有することである。
勿論、図１０Ｄの導体箔円板１０２１においても、図１０Ｃと同様に、導体箔の形状は、黒色に塗り潰した箇所（欠損部１０２４）を導体箔で形成しても、白色の箇所（導体箔１０２３）を導体箔で形成しても、どちらでもよい。黒色の箇所、白色の箇所のどちらが導体箔で形成されているとしても、円周方向に等間隔で複数箇所設けられる欠損部を有する、という特徴は等しい。
【００４５】
［第三の実施形態：別の形態の導体箔］
図１１Ａは、本発明の第三の実施形態に係る導体箔円板１１０１の上面図である。
図１１Ｂは、導体箔円板１１０１と空芯コイルの配置関係を示す概略図である。
図１１Ａ及び図１１Ｂでは、導体箔円板１１０１の上面図のみが示されているが、図１０Ａに示す導体箔円板１１０１は、例えば約０．５〜１．０ｍｍ程度の厚みを有する、アクリル等の耐薬品性を有する合成樹脂の円板１１０２に、アルミ箔或は金メッキされた銅箔等よりなる導体箔１１０３を貼付した構成である。
【００４６】
図１１Ａ及び図１１Ｂにハッチングにて示すように、導体箔円板１１０１に貼付されている導体箔１１０３は、単純な半円形状である。この導体箔円板１１０１に対し、約９０°の角度で、第一空芯コイル１１０４ａ及び第二空芯コイル１１０４ｂが配置される。第一空芯コイル１１０４ａ及び第二空芯コイル１１０４ｂは、プリント基板等で形成される。導体箔１１０３はこのように極めて単純な形状であるので、必ずしも金属箔と合成樹脂の円板１１０２の組み合わせで形成する必要はない。楕円歯車を金属や導電性合成樹脂で構成し、楕円歯車の空芯コイルに相対する面に半円形状の突起を形成してもよい。楕円歯車の材質が金属の場合は、削り出しや金型鋳造等の製造方法が、導電性合成樹脂の場合は射出成形等の製造方法で形成が可能であると考えられる。
【００４７】
図１２Ａは、第一空芯コイル１１０４ａ及び第二空芯コイル１１０４ｂからＦＶ変換回路１０９を通じて得られる周波数変動信号の交流成分を示すタイムチャートである。図１２中、図１１Ｂの導体箔円板１１０１に付したマークＰ１１０５ａ、Ｐ１１０５ｂ、Ｐ１１０５ｃ及びＰ１１０５ｄを記している。導体箔円板１１０１は図１１Ｂの矢印Ｖ１１０６に示すように、反時計回り方向に回転するものとする。
【００４８】
時点Ｔ１２０１は、マークＰ１１０５ａが第一空芯コイル１１０４ａに、マークＰ１１０５ｂが第二空芯コイル１１０４ｂに、それぞれ位置している状態である。
この時点Ｔ１２０１は、第一空芯コイル１１０４ａと導体箔１１０３が重なる面積が最も大きい時点である。このため、第一空芯コイル１１０４ａが接続されているＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号は最大値を示す。
一方、時点Ｔ１２０１は、第二空芯コイル１１０４ｂと導体箔１１０３が重なる面積が概ね半分である時点である。このため、第二空芯コイル１１０４ｂが接続されているＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号は、中間値を示す。周波数変動信号のＡＣ成分だけを見ると、ゼロクロスに相当する。
【００４９】
時点Ｔ１２０２は、マークＰ１１０５ｂが第一空芯コイル１１０４ａに、マークＰ１１０５ｃが第二空芯コイル１１０４ｂに、それぞれ位置している状態である。
この時点Ｔ１２０２は、第一空芯コイル１１０４ａと導体箔１１０３が重なる面積が概ね半分である時点である。このため、第一空芯コイル１１０４ａが接続されているＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号は、中間値を示す。周波数変動信号のＡＣ成分だけを見ると、ゼロクロスに相当する。
一方、時点Ｔ１２０２は、第二空芯コイル１１０４ｂと導体箔１１０３が重なる面積が最も小さい時点である。このため、第二空芯コイル１１０４ｂが接続されているＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号は最小値を示す。
【００５０】
時点Ｔ１２０３は、マークＰ１１０５ｃが第一空芯コイル１１０４ａに、マークＰ１１０５ｄが第二空芯コイル１１０４ｂに、それぞれ位置している状態である。
この時点Ｔ１２０３は、第一空芯コイル１１０４ａと導体箔１１０３が重なる面積が最も小さい時点である。このため、第一空芯コイル１１０４ａが接続されているＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号は最小値を示す。
一方、時点Ｔ１２０３は、第二空芯コイル１１０４ｂと導体箔１１０３が重なる面積が概ね半分である時点である。このため、第二空芯コイル１１０４ｂが接続されているＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号は、時点Ｔ１２０１と同様に中間値を示す。
【００５１】
時点Ｔ１２０４は、マークＰ１１０５ｄが第一空芯コイル１１０４ａに、マークＰ１１０５ａが第二空芯コイル１１０４ｂに、それぞれ位置している状態である。
この時点Ｔ１２０４は、第一空芯コイル１１０４ａと導体箔１１０３が重なる面積が概ね半分である時点である。このため、第一空芯コイル１１０４ａが接続されているＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号は、時点Ｔ１２０２と同様に中間値を示す。
一方、時点Ｔ１２０４は、第二空芯コイル１１０４ｂと導体箔１１０３が重なる面積が最も大きい時点である。このため、第二空芯コイル１１０４ｂが接続されているＦＶ変換回路１０９が出力する周波数変動信号は最大値を示す。
そして、時点Ｔ１２０４を過ぎた後は再び時点Ｔ１２０１に戻って、同様の動作を繰り返す。
【００５２】
図１２Ｂは、第一空芯コイル１１０４ａ及び第二空芯コイル１１０４ｂからＦＶ変換回路１０９を通じて得られる周波数変動信号に所定の波形整形処理を行った結果得られるパルス波形を示すタイムチャートである。
サイン波状の交流成分を含む脈流である周波数変動信号に対し、周知の移動平均等で平均電圧を取得する。そして、周波数変動信号と平均電圧をコンパレータに通すと、図１２Ｂに示すような矩形波が得られる。このパルスはそのまま周知のＡ相Ｂ相パルスとして、楕円歯車の回転数及び回転方向を取得することが可能である。
【００５３】
図１１に示す第三の実施形態に係る導体箔円板１１０１は、図８に示す第二の実施形態に係る導体箔円板８０２及び図１０Ｄに示す第二の実施形態の変形例に係る導体箔円板１０２１を、極端に単純化した変形例と考えることができる。円を円周方向に偶数にて等分割し、等分割された領域に導体箔を交互に貼付したものと、歯車形状の導体箔は、近接する空芯コイルの誘導係数を周期的に変化させる点において等しい。図１１に示す導体箔円板１１０１は、円を円周方向に「２」にて等分割したものである。
【００５４】
なお、図１１Ｂでは１個の楕円歯車に設けられた単一の導体箔円板１１０１に、第一空芯コイル１１０４ａ及び第二空芯コイル１１０４ｂを近接配置したが、図５に示した第一の実施形態と同様の配置も可能である。すなわち、第一楕円歯車１０２ａと第二楕円歯車１０２ｂのそれぞれに導体箔円板１１０１を設け、一方の楕円歯車に第一空芯コイル１１０４ａを、他方の楕円歯車に第二空芯コイル１１０４ｂを配置して、それぞれのＦＶ変換回路１０９を通じて得られる周波数変動信号の位相差が概ね９０°の電気角を有していればよい。
【００５５】
以上に説明した流量センサは、楕円歯車を流体の流量検出要素として使用しているが、本発明の技術思想は、楕円歯車を使用しない、円形の歯車や羽根車を用いた流体検出機構を用いるものや、円形の回転体を用いるものにも適用可能である。
【００５６】
本発明に係る流量センサは、以下の構成を採り得る。
＜１＞
第一楕円歯車と、
前記第一楕円歯車と同一の形状であり、前記第一楕円歯車と嵌合する第二楕円歯車と、
円周方向の一部に不連続な箇所を有し、少なくとも前記第一楕円歯車と前記第二楕円歯車の何れか一方の側面に貼付され、前記第一楕円歯車と前記第二楕円歯車の回転と共に回転駆動される、導体よりなる薄板と、
前記第一楕円歯車及び前記第二楕円歯車を回転可能に収容する空間を有し、この空間を流体が通過することによって前記第一楕円歯車及び前記第二楕円歯車が回転する作動室を含む筐体と、
前記筐体から前記流体の漏出を防ぐ、絶縁体よりなる隔壁と、
前記隔壁を介して前記薄板に近接して設けられる空芯コイルと、
前記空芯コイルが発振周波数を決定する要素となる発振回路と
を具備する、流量センサ。
＜２＞
前記薄板は円周方向に偶数にて等分割し、前記等分割された領域に導体を交互に設けた形状である、＜１＞に記載の流量センサ。
＜３＞
前記薄板は半円形状である、＜２＞に記載の流量センサ。
＜４＞
前記薄板は、前記第一楕円歯車及び／または前記第二楕円歯車の前記隔壁に相対する側面に、前記第一楕円歯車及び／または前記第二楕円歯車と同一の材質にて一体的に形成されている、＜３＞に記載の流量センサ。
＜５＞
前記薄板は、円周方向に半径が増加して一部に不連続な箇所を有する略螺旋状の形状を有する、＜１＞に記載の流量センサ。
＜６＞
前記薄板は、円周方向に等間隔で複数箇所設けられる欠損部を有する、＜１＞に記載の流量センサ。
【００５７】
本発明の実施形態においては、楕円歯車流量センサ１０１を開示した。
本発明の実施形態の楕円歯車流量センサ１０１では、角度位置によって半径が異なり、不連続な切り欠き２０１ａを有する導体で形成された螺旋状の導体箔２０１を、楕円歯車１０２に貼付する。そして、隔壁１０４を介して発振回路１０８の一部を構成する空芯コイル１０５を配置する。楕円歯車１０２が流体の流れに呼応して回転すると、楕円歯車１０２の角度位置によって、導体箔２０１の、空芯コイル１０５の円周範囲内に含まれている箇所の面積Ａ５０４が増減する。面積Ａ５０４の増減に呼応して、発振回路１０８が出力する信号の周波数も増減する。信号をＦＶ変換回路１０９で周波数変動信号に変換した後、マイコン等で構成する流量積算装置４０７にて、導体箔２０１の不連続な切り欠き２０１ａに相当する、信号の時間軸上の位置を検出する。
【００５８】
楕円歯車１０２の回転検出に電磁誘導を利用するので、光センサと比べて塵埃に強い。同様に、磁気センサと比べて砂鉄等の磁性塵埃に強い。このため、他の検出方式と比べ、長期間に渡って安定したセンサ出力を維持することができるため、センサのメンテナンス周期を長く取ることができる。
また、本発明の第一の実施形態に係る導体箔２０１を用いれば、従来技術と比べ、楕円歯車１個分の信号で、流体の流れる方向を検出できる。
更に、導体箔２０１は円周方向の不連続性を確保する切り欠き２０１ａさえ形成できればよい。空芯コイル１０５は導体箔２０１の、円周方向の不連続性を検出さえできればよい。すなわち、空芯コイル１０５と導体箔２０１、そして発振回路１０８とＦＶ変換回路１０９は、回転の検出に特段の精度を必要としない。このため、従来の他の検出方式と比べて極めて安価に構成することが可能である。
【００５９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…楕円歯車流量センサ、１０２…楕円歯車、１０２ａ…第一楕円歯車、１０２ｂ…第二楕円歯車、１０３…筐体、１０３ａ…作動室、１０３ｂ…溝、１０４…隔壁、１０５…空芯コイル、１０５ａ…第一空芯コイル、１０５ｂ…第二空芯コイル、１０６…第一出入口、１０７…第二出入口、１０８…発振回路、１０９…ＦＶ変換回路、２０１…導体箔、４０２…トランジスタ、４０７…流量積算装置、８０１…導体箔、８０２…突起、１００１…導体箔円板、１００２…円板、１００３…導体箔、１００３ａ…穴、１０１１…導体箔円板、１０１３…箇所、１０１４…箇所、１０２１…導体箔円板、１０２３…導体箔、１０２４…欠損部、１１０１…導体箔円板、１１０２…円板、１１０３…導体箔、１１０４ａ…第一空芯コイル、１１０４ｂ…第二空芯コイル、１３０１…楕円歯車、１３０２…反射板、１３０３…光センサ、１４０１…楕円歯車、１４０２…磁石、１４０３…磁気センサ
【図１】
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【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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【図７】
2020098134.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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