(57)【要約】【課題】回転子及びケーシングに穿った孔（光路）に発生する気泡を逃げ易くした容積式流量計を提供する。【解決手段】容積式流量計は、ケーシング６によって形成され、被測定流体が流入，流出する計量室５と、計量室５に流入する被測定流体の体積に比例して回転する回転子４と、回転子４に向かって光を照射する光源と、ケーシング６に設けられた光路を形成する第１貫通孔６ａと、回転子４に設けられた光路を形成する第２貫通孔４ａとを備え、回転子４の回転により第１貫通孔６ａと第２貫通孔４ａとが一致した場合に、第１貫通孔６ａ及び第２貫通孔４ａを介して光源からの光を透過させ、透過させた光を検出することで、回転子４の回転を検出する。第１貫通孔６ａと第２貫通孔４ａとが一致した場合に形成される貫通孔は、軸方向に径の異なる部分を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングによって形成され、被測定流体が流入，流出する計量室と、該計量室に流入する被測定流体の体積に比例して回転する回転子と、該回転子に向かって光を照射する光源と、前記ケーシングに設けられた光路を形成する第１貫通孔と、前記回転子に設けられた光路を形成する第２貫通孔とを備え、前記回転子の回転により前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とが一致した場合に、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔を介して前記光源からの光を透過させ、該透過させた光を検出することで、前記回転子の回転を検出する容積式流量計であって、
前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とが一致した場合に形成される貫通孔は、軸方向に径の異なる部分を有していることを特徴とする容積式流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の容積式流量計において、前記ケーシングに設けられた第１貫通孔の径は、該第１貫通孔の両端で異なることを特徴とする容積式流量計。
【請求項３】
請求項２に記載の容積式流量計において、前記第１貫通孔は、内部にテーパが形成されていることを特徴とする容積式流量計。
【請求項４】
請求項２に記載の容積式流量計において、前記第１貫通孔は、内部に段差が形成されていることを特徴とする容積式流量計。
【請求項５】
請求項４に記載の容積式流量計において、前記段差を形成する第１貫通孔の径は、該第１貫通孔の長さよりも大きいことを特徴とする容積式流量計。
【請求項６】
請求項５に記載の容積式流量計において、前記段差を形成する第１貫通孔の径は、該第１貫通孔の長さの１．５〜３．０倍であることを特徴とする容積式流量計。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の容積式流量計において、前記回転子に設けられた第２貫通孔の径は、該第２貫通孔の両端で異なることを特徴とする容積式流量計。
【請求項８】
請求項７に記載の容積式流量計において、前記第２貫通孔は、内部にテーパが形成されていることを特徴とする容積式流量計。
【請求項９】
請求項７に記載の容積式流量計において、前記第２貫通孔は、内部に段差が形成されていることを特徴とする容積式流量計。
【請求項１０】
請求項９に記載の容積式流量計において、前記段差を形成する第２貫通孔の径は、該貫通孔の長さよりも大きいことを特徴とする容積式流量計。
【請求項１１】
請求項１０に記載の容積式流量計において、前記段差を形成する第２貫通孔の径は、該第２貫通孔の長さの１．５〜３．０倍であることを特徴とする容積式流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容積式流量計に関し、より詳細には、回転子の回転を光学的に検出することで、被測定流体の流量を測定する容積式流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
容積式流量計は、古くから実用化されている積算体積計であり、原理的に電気などの外部エネルギーが不要で、流体のエネルギーにより回転子を作動させて計量を行うものである。この容積式流量計は、計量室内部に組み込まれた回転子が入口側と出口側の差圧により作動する構造となっており、入口側から流入した流体を計量室に充填させながら、回転子の作動により出口側に連続的に送り出している。
【０００３】
予め計量室の容積を求めておけば、回転子の作動回数を測定することにより、流量計を通過した積算体積を求めることができる。また、単位時間当たりの作動回数から、瞬時（瞬分）の流量を求めることもできる。下記に理論吐出量を求める基本式を示す。
【０００４】
【数１】
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【０００５】
但し、Ｑは理論吐出量、Ｎは回転数、ｆは回転子の厚さ、ＲＬは回転子長径の１／２、ＲＳは回転子短径の１／２、Ｒは計量室を構成するケーシング内径の１／２を示す。
【０００６】
図７に、オーバルギア式容積式流量計で、ケーシング内に収められた２個の楕円型回転子の回転によって流体が吐出された場合の状態遷移を示す。Ｐ１，Ｐ２はそれぞれ入口付近の圧力，出口付近の圧力を示す、回転子は流体の僅かな圧力差によって、図中の矢印の方向へ回転を繰り返し、ケーシングと回転子の間に形成された半月状空間に充填した流体を送り出す。回転子が１回転する間に送り出す量は、半月状空間の容積の４倍あるので、回転子の回転数を計測することで、流量計の通過体積が分かる。なお、この回転子が１回転する間に送り出す量を、吐出量と定義している。この方式による流体計測は流体の物性（密度、粘度）や流体分布の影響が少なく、微差圧でも動作することから、小流量の感度に優れている。
【０００７】
一般的に容積式流量計の回転子の回転を検出するには、回転子に埋め込まれた磁石の磁界の変化を、磁気抵抗素子等で検出する方法がある。しかし、微少流量計測のために回転子を小型化した場合には、埋め込まれた磁石の磁界が相互に影響しないように、磁石の数が制限されるため、１回転のパルスが少なくなり、分解能が低下する。さらに、回転子本体よりも密度の大きな磁石を埋め込むため、回転子が重くなるなどのデメリットがある。
【０００８】
これに対して、回転子及びケーシングに穿った孔で光の透過の有無を検出する光検出方式が採用されており、様々なものが提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。この光検出方式によれば、回転子に磁石を埋め込む必要がないため、回転子を小型化することができ、孔の数も互いの孔から光の漏洩がない限り増やすことができるため、１回転のパルスを磁気検出方式と比べて多くとることができる。すなわち、光検出方式は、磁気検出方式と比べパルス分解能に優れる。このように光検出方式によれば、磁気検出方式による上記デメリットを解消することができる。
【特許文献１】特開２００４−１５６９７２号公報
【特許文献２】特開平４−２４４９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図８は、従来の光検出方式を採用した容積式流量計の構成を部分的に示した図である。図中、１０１は回転子、１０２はＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子、１０３はガラス、１０４は計量室のケーシング、１０５はＰＤ（Photo Diode）などの受光素子、１０６はガラス、１０７はパッキン（シール部材）、１０８，１０９は光路を形成する貫通孔を示す。ＬＥＤ１０２は光源であり、回転子１０１に向かって光を照射する。回転子１０１の回転により回転子１０１に設けられた貫通孔１０８とケーシング１０４に設けられた貫通孔１０９とが一致すると、ＬＥＤ１０２からの光が透過して、ＰＤ１０５で受光される。また、貫通孔１０８と貫通孔１０９とが一致しない場合、ＬＥＤ１０２からの光は透過しない。このようにして、回転子及びケーシングに穿った孔で光の透過の有無を検出する。
【００１０】
しかしながら、従来の容積式流量計において、回転を光検出（透過式）で行う場合、回転子及びケーシングに設けた孔に気泡が混入すると、空気層と液体層の境界面で反射が起こり、光が減衰してしまい、パルス抜けなどが発生し、正常に動作しなくなるという問題があった。これについて以下に説明する。
【００１１】
例えば、流量計の組み立て時において空気が存在し、流量計を使用する際に液体を注入すると、回転子及びケーシングに穿った孔（光路）において逃げ場のない空気が気泡Ｂとなる。図８に示すように、回転子及びケーシングの孔は、同じ径で円筒状に形成され、孔の径に対して、孔の長さが長いために、その内部に発生した気泡Ｂは逃げることができない。
【００１２】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、回転子及びケーシングに穿った孔（光路）に発生する気泡を逃げ易くした容積式流量計を提供すること、を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、第１の技術手段は、ケーシングによって形成され、被測定流体が流入，流出する計量室と、該計量室に流入する被測定流体の体積に比例して回転する回転子と、該回転子に向かって光を照射する光源と、前記ケーシングに設けられた光路を形成する第１貫通孔と、前記回転子に設けられた光路を形成する第２貫通孔とを備え、前記回転子の回転により前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とが一致した場合に、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔を介して前記光源からの光を透過させ、該透過させた光を検出することで、前記回転子の回転を検出する容積式流量計であって、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とが一致した場合に形成される貫通孔は、軸方向に径の異なる部分を有していることを特徴としたものである。
【００１４】
第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記ケーシングに設けられた第１貫通孔の径は、該第１貫通孔の両端で異なることを特徴としたものである。
【００１５】
第３の技術手段は、第２の技術手段において、前記第１貫通孔は、内部にテーパが形成されていることを特徴としたものである。
【００１６】
第４の技術手段は、第２の技術手段において、前記第１貫通孔は、内部に段差が形成されていることを特徴としたものである。
【００１７】
第５の技術手段は、第４の技術手段において、前記段差を形成する第１貫通孔の径は、該第１貫通孔の長さよりも大きいことを特徴としたものである。
【００１８】
第６の技術手段は、第５の技術手段において、前記段差を形成する第１貫通孔の径は、該第１貫通孔の長さの１．５〜３．０倍であることを特徴としたものである。
【００１９】
第７の技術手段は、第１〜第６のいずれか１の技術手段において、前記回転子に設けられた第２貫通孔の径は、該第２貫通孔の両端で異なることを特徴としたものである。
【００２０】
第８の技術手段は、第７の技術手段において、前記第２貫通孔は、内部にテーパが形成されていることを特徴としたものである。
【００２１】
第９の技術手段は、第７の技術手段において、前記第２貫通孔は、内部に段差が形成されていることを特徴としたものである。
【００２２】
第１０の技術手段は、第９の技術手段において、前記段差を形成する第２貫通孔の径は、該貫通孔の長さよりも大きいことを特徴としたものである。
【００２３】
第１１の技術手段は、第１０の技術手段において、前記段差を形成する第２貫通孔の径は、該第２貫通孔の長さの１．５〜３．０倍であることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、回転子及びケーシングに穿った孔（光路）に発生する気泡を、光路に影響を与えない位置に移動するようにしたため、気泡による光の減衰を防止して、パルス抜けなどの発生を抑え、動作不良のない安定した流量計測を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の容積式流量計の好適な実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係る容積式流量計を側面から見たときの断面図である。図中、１はＬＥＤなどの発光素子、２はガラス、３は光ファイバ、４は回転子、５は計量室、６はケーシング、７はＰＤなどの受光素子、８は検出基板、９はガラス、１０はパッキン（シール部材）を示す。計量室５は、ケーシング６によって形成される空間であり、この空間内に回転子４が回転可能に軸支される。なお、以下の説明では、光源としての発光素子をＬＥＤ、受光素子をＰＤとして例示するが、これに限定されるものではない。
【００２７】
本実施形態の容積式流量計は、ＬＥＤ１とＰＤ７とが同じ検出基板８に配置され、光ファイバ３によりＵ字型の光の導波路が構成されている。従来ＬＥＤとＰＤとは対面式で配置されていたため、ＬＥＤ用基板とＰＤ用基板とが別々に必要であったが、このように同一基板上にＬＥＤとＰＤを配置することで、小スペース化を実現している。
【００２８】
図２は、図１に示したＸ部付近を拡大した図である。本実施形態の容積式流量計は、光透過方式を採用しており、ケーシング６によって形成され、被測定流体が流入，流出する計量室５と、計量室５に流入する被測定流体の体積に比例して回転する回転子４と、回転子４に向かって（図示の方向に）光を照射する光源としてＬＥＤ１（図１参照）と、ケーシング６に設けられた光路を形成する第１貫通孔６ａと、回転子４に設けられた光路を形成する第２貫通孔４ａとを備える。そして、回転子４の回転により第１貫通孔６ａと第２貫通孔４ａとが一致した場合に、第１貫通孔６ａ及び第２貫通孔４ａを介してＬＥＤ１からの光を透過させ、透過させた光をＰＤ７で検出することで、回転子４の回転を検出する。
【００２９】
本発明の主たる特徴部分は、パルス抜け等を防止するために、回転子４及びケーシング６に穿った孔（光路）に発生する気泡を逃げ易くすることにある。このため、第１貫通孔６ａと第２貫通孔４ａとが一致した場合に形成される貫通孔の軸方向に径の異なる部分を有するようにしている。より具体的には、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａの径、あるいは、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａの径の少なくとも一方が、それぞれの貫通孔の両端で異なるように形成されている。図２はその貫通孔の一例を示すものである。
【００３０】
図２の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａの内部には段差が形成され、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａの内部にはテーパが形成されている。第１貫通孔６ａまたは第２貫通孔４ａに発生した気泡Ｂは、第１貫通孔６ａに形成されたテーパまたは第２貫通孔４ａに形成された段差に逃げ、ＬＥＤ１からＰＤ７へ通る光路を気泡Ｂが塞ぐことがないため、気泡Ｂによる光の減衰を防止することができる。また、回転子４は回転しているため、歯車の噛み合い位置によりケーシング６と回転子４の境界部分に圧力変動が生じる。このため、第１貫通孔６ａにテーパを形成することで、より効果的に気泡Ｂの移動を促すことができる。
【００３１】
図３は、回転子４が配置されたケーシング６を正面から見た状態を模式的に示した図である。図３（Ａ）に示すように、ケーシング６には第１貫通孔６ａが設けられ、この第１貫通孔６ａの内部にはテーパ（図示せず）が形成されている。また、図３（Ｂ）に示すように、回転子４には第２貫通孔４ａが設けられ、この第２貫通孔４ａの内部には段差が形成されている（Ｙ部断面図を参照）。このＹ部断面図において、段差を形成する貫通孔の径（Ｄ１，Ｄ２）は、貫通孔の長さ（Ｌ１，Ｌ２）よりも大きいものとし、好ましくは、貫通孔の長さの１．５〜３．０倍であるとよい。すなわち、
１．５Ｌ１≦Ｄ１≦３．０Ｌ１  …式（２）
１．５Ｌ２≦Ｄ２≦３．０Ｌ２  …式（３）
を満足するように段差を形成することが望ましい。これは、物理的に貫通孔の径をその長さよりも大きくすることで、球形の気泡により貫通孔を塞ぐことがないようにしている。
【００３２】
なお、上記の段差の形成について、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａに段差を形成する場合にも同様に適用することができる。
【００３３】
また、図３（Ｂ）において、第２貫通孔４ａは、楕円歯車の回転子４の回転中心から等距離でかつ一定間隔に配置され、互いの貫通孔から光の漏洩がない限り、その数を増やすことができるが、本例では８孔／１回転としている。
【００３４】
図４は、本発明の容積式流量計における光の遮断と透過の一例を説明するための概念図である。ＬＥＤ１の光は回転子４に向けて常に照射されており、第１貫通孔６ａと第２貫通孔４ａとが一致しないときは、図４（Ａ）に示すように、光が透過することはなく、第１貫通孔６ａと第２貫通孔４ａとが一致したときは、図４（Ｂ）に示すように、光が透過し、透過した光信号を図示しないＰＤで検出する。この際、発生した気泡は、第１貫通孔６ａに形成されたテーパ及び第２貫通孔４ａに形成された段差により、逃がすことができるため、気泡の影響で光が減衰することがなく、パルス抜けなどの発生を抑え、動作不良のない安定した流量計測を行うことができる。
【００３５】
図５，図６は、ケーシング６に設けた第１貫通孔６ａ及び回転子４に設けた第２貫通孔４ａの内部構造の他の例を示す図である。前述したように、気泡Ｂを逃がすためには、第１貫通孔６ａと第２貫通孔４ａとが一致した場合に形成される貫通孔の軸方向に径の異なる部分を有していればよい。以下、種々の変形例を示す。
【００３６】
図５（Ａ）の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａの内部は段差が形成され、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａは径の変化がないストレートな円筒型の貫通孔である。この場合、発生した気泡Ｂは、第２貫通孔４ａの段差部分に逃げることができる。
【００３７】
また、図５（Ｂ）の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａの内部は段差が形成され、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａは径の変化がないストレートな円筒型の貫通孔である。第２貫通孔４ａの段差は、図５（Ａ）とは逆の方向（ケーシング６の方向）に径が広がっている。この場合、発生した気泡Ｂは、第２貫通孔４ａの段差部分に逃げることができる。
【００３８】
また、図５（Ｃ）の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａは径の変化がないストレートな円筒型の貫通孔であり、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａの内部は段差が形成されている。この段差は、回転子４の方向に径が広がっている。この場合、発生した気泡Ｂは、第１貫通孔６ａの段差部分に逃げることができる。
【００３９】
また、図５（Ｄ）の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａ及びケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａは共に径の変化がないストレートな円筒型の貫通孔であるが、第２貫通孔４ａの径と第１貫通孔６ａの径とが異なるため、結果的に段差が形成される。このため、発生した気泡Ｂは、第２貫通孔４ａと第１貫通孔６ａとで形成される段差部分に逃げることができる。
【００４０】
また、図６において、図６（Ａ）の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａは径の変化がないストレートな円筒型の貫通孔であり、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａの内部はテーパが形成されている。この場合、発生した気泡Ｂは、第１貫通孔６ａのテーパ部分に逃げることができる。
【００４１】
また、図６（Ｂ）の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａの内部は段差が形成され、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａの内部はテーパが形成されている。第２貫通孔４ａの段差は、図５（Ａ）とは逆の方向（すなわち、ケーシング６の方向）に径が広がっている。この場合、発生した気泡Ｂは、第２貫通孔４ａの段差部分あるいは第１貫通孔６ａのテーパ部分に逃げることができる。
【００４２】
また、図６（Ｃ）の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａの内部及びケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａの内部は共にテーパが形成されている。この場合、発生した気泡Ｂは、第１貫通孔６ａのテーパ部分または第２貫通孔４ａのテーパ部分に逃げることができる。
【００４３】
また、図６（Ｄ）の例の場合、回転子４に設けられた第２貫通孔４ａの内部及びケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａの内部は共に段差が形成されている。この場合、発生した気泡Ｂは、第１貫通孔６ａの段差部分または第２貫通孔４ａの段差部分に逃げることができる。
【００４４】
なお、図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｄ）のように、ケーシング６に設けられた第１貫通孔６ａを円筒型の貫通孔にし、回転子４の第２貫通孔４ａに段差を形成した場合、この段差だけでは完全に気泡を逃がし切れない場合が起こり得る。このような場合、逃げ切れない気泡の影響で光の減衰が発生してしまうので、光信号の受光量（受光レベル）が低下し、これが所定の閾値以下になるとパルス抜けと判定されてしまう。これを回避するために、光信号を検出する際の閾値のレベルを下げるようにしてもよい。これにより、上記の構成（図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図５（Ｄ）の構成）であっても、閾値によりパルス抜けと判定されることはなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態に係る容積式流量計を側面から見たときの断面図である。
【図２】図１に示したＸ部付近を拡大した図である。
【図３】回転子が配置されたケーシングを正面から見た状態を模式的に示した図である。
【図４】本発明の容積式流量計における光の遮断と透過の一例を説明するための概念図である。
【図５】ケーシングに設けた第１貫通孔及び回転子に設けた第２貫通孔の内部構造の他の例を示す図である。
【図６】ケーシングに設けた第１貫通孔及び回転子に設けた第２貫通孔の内部構造の他の例を示す図である。
【図７】オーバルギア式容積式流量計で、ケーシング内に収められた２個の楕円型回転子の回転によって流体が吐出された場合の状態遷移を示す図である。
【図８】従来の光検出方式を採用した容積式流量計の構成を部分的に示した図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…ＬＥＤ、２，９…ガラス、３…光ファイバ、４…回転子、４ａ…第２貫通孔、５…計量室、６…ケーシング、６ａ…第１貫通穴、７…ＰＤ、８…検出基板、１０…パッキン。
【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】
2010107302.tif 000008
【図６】
2010107302.tif 000009
【図７】
2010107302.tif 000010
【図８】
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