(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を導入する流入部と、前記流入部の端面に第１の弾性体の復元力により押圧され、かつ流量に応じ前記流入部の端面に対して変位する流体遮蔽板と、前記流体遮蔽板の位置を検知する位置検知手段とからなり、前記第１の弾性体は第２の弾性体で保持するようにした流体流量計。
【請求項２】
第１の弾性体を平板状のジンバルバネで構成し、流入部の端面に平行関係を維持したまま流体遮蔽板を変位するようにし、かつ、前記平板状のジンバルバネの周辺部をコイルバネからなる第２の弾性体で保持した請求項１記載の流体流量計。
【請求項３】
流体遮蔽板を導電性材料とするとともに、流入部の端面に前記流体遮蔽板と平行にリング状電極を設けてコンデンサを構成し、このコンデンサの静電容量をもとに遮蔽板の位置を検知するようにした請求項１記載の流体流量計。
【請求項４】
流体遮蔽板の下流側に設けた中心棒を差動トランスに挿通して位置検知手段を構成した請求項１記載の流体流量計。
【請求項５】
中心棒と差動トランスとの間に空気ダンパ作用が発生するように前記差動トランスを凹字型に形成した請求項４記載の流体流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、流体の流量を検知する流体流量計に関するものであり、特に、低圧力損失で大流量を流しうる流路で微小流量を検知できる流体流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の微小な流量を検知する高感度な流体流量計としては、図９に示すような熱線式流体流量計がよく知られている。図９において、半導体などの基台１の表面上に、エッチングなどの微細加工技術で凹部２を設け、その上に電気絶縁性薄膜３をブリッジ状に形成し、さらにその上に、複数個の温度特性の優れた測温抵抗体４、５を、それぞれが熱的に絶縁されるよう電気絶縁性薄膜３にスリット６を構成し、さらに測温抵抗体４、５の近傍の電気絶縁性薄膜３上に流体の温度を検知する測温抵抗体からなる流体温度検出素子７を設け、熱線式流体流量計としていた。矢印８の方向から流体を流し、測温抵抗体４、５に定電流源からの一定電流を流し、加熱昇温するとともに、測温抵抗体４、５を、流体の上流、下流になるように配置し、流体の流速に依存した冷却効果によるそれぞれの測温抵抗体４、５の温度差から、流体の流速を検知しようとするものであった（特公平６−２５６８４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような構成では、大流量を流しうる流路でかつ、低流量域においては、熱対流の影響などのため、精度が悪く、感度が低下するなどのため、誤差が大きいという課題があった。また、発熱体を用いるため、消費電力も大きくなるという課題もあった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、大流量を流しうる流路であっても、微少流量を高感度に計量しかつ、低消費電力で検知できる圧損の小さい流体流量計を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の流体流量計は、流体を導入する流入部と、前記流入部の端面に第１の弾性体の復元力により押圧され、かつ流量に応じ前記流入部の端面に対して変位する流体遮蔽板と、前記流体遮蔽板の位置を検知する位置検知手段とからなり、前記第１の弾性体は第２の弾性体で保持するようにしたものである。
【０００６】
前記第１，２弾性体の具体的構成としては、第１の弾性体を平板状のジンバルバネで構成し、流入部の端面に平行関係を維持したまま流体遮蔽板を変位するようにし、かつ、前記平板状のジンバルバネの周辺部をコイルバネからなる第２の弾性体で保持するように構成する。
【０００７】
また位置検知手段としては、流体遮蔽板を導電性材料とするとともに、流入部の端面に前記流体遮蔽板と平行にリング状電極を設けてコンデンサを構成したもの、或いは、流体遮蔽板の下流側に設けた中心棒を差動トランスに挿通したものが考えられる。そして位置検知手段として差動トランスを採用したものにおいては、この差動トランスを凹字型に形成して、中心棒と差動トランスとの間に空気ダンパ作用が発生するように構成することが望ましい。
【０００８】
【作用】
本発明は前記の構成によるため、流体の流量が微少な流量域では、流体の流れ力が小さいため、前記遮蔽板は弾性体の復元力により、流体を導入する流入部の端面に押圧される。従って、位置検知器で前記遮蔽体の位置を検知することにより、ある微少な流量値以下であると検知することができる。また、前記位置検知手段で前記遮蔽板の動作を検知することにより、ある微少な流量値以上であると検知することができる。
【０００９】
また、前記遮蔽体は、第１および第２の弾性体の復元力により流入部に押圧されているため、流体力の小さい少流量時には、復元力の小さい方の弾性体の復元力に従い、流体力の大きい大流量時には、復元力の大きい弾性体の復元力に従って動作する。このため、復元力の小さい弾性体には、ある一定以上の流体力が印加されることがなく、安定して動作することになる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施例による流体流量計の断面図を示す。８は流体の流れる方向を示し、９は円筒状の流入部を、１０は円筒状の流入部９を保持する枠体を、１１は円形の流体遮蔽板を、１２は枠体１０に固定され円形の遮蔽板１１を保持するコイル状のバネをそれぞれ示す。１３は、枠体１０に固定された位置検出手段としてのリミットスイッチであり、遮蔽板１１の動作を検知する。
【００１１】
次に、その動作について説明する。コイル状のバネ１２は、流体が流れていないときは、前記円形の遮蔽板１１を、前記流入部９の端面に押圧するように設定されている。従って、流体が流れていないときは、遮蔽板１１は、前記流入部９の端面に押圧されているため、リミットスイッチ１３で、その存在が確認され、流体が流れていない。即ち、遮蔽板１１を動かしうる程の流量が流れていないことが検知される。また、流体が逆流しようとしても、遮蔽板が抵抗となって、逆流しないよう動作し、逆流防止弁としても働く。
【００１２】
また、流体が流れはじめると、その流体の力とコイル状のバネ１２とがバランスする位置まで遮蔽板１１が変位し、流体の流量に応じて流体遮蔽板が変位する。従って、位置検出手段としてのリミットスイッチ１３で遮蔽板の動作を検出することができ、一定流量以上の流量が流れたことを検出することができる。なお、コイル状のバネ１２は数グラム以下程度に設定することは実用上容易であるため、微小流量から大流量までの流量範囲において、例えば内径１００ＭＭ程度の管で、最大流量が１００〜１５０ｍ３／ｈの流量範囲において、圧損を数ＭＭＡＱから数十ＭＭＡＱ以下に設定することができる。
【００１３】
以上説明したように、予めバネ定数が解っていれば、遮蔽板の動作からその時の微少流量値が一定値以上か、以下かを簡単に検知することができる。また、発熱体などを用いずに、ただ単にリミットスイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦを検知すればよいため、消費電力も非常に少なくて済む。
【００１４】
図２は、本発明の第２の実施例であり、流体流量計の断面図を示す。遮蔽板１１は、中央部に細孔１４が設けられている。流体が流れたとき細孔１４の寸法で決まる力が遮蔽板１１に印加される。従って細孔１４の寸法と、コイル状のバネ１２との力関係で、リミットスイッチ１３の動作点を決定することができる。このためリミットスイッチ１３の動作点を自由に、簡単に、設定することがき、実用範囲が大幅に拡大する。即ち、リミットスイッチ１３の動作点を、細孔１４の内径が小さいときは小流量に、細孔１４の径が中程度の時は中流量に、細孔１４の径が大きいときは大流量に設定できる。
【００１５】
図３は、本発明の第３の実施例であり、流体流量計の断面図を示す。円形の遮蔽板１１を、流入部９の端面に押圧するコイル状の第１のバネ１２は、第２のバネ１５で保持されている可動リング１６に固定されている。第２のバネ１５の他の一方は枠体１０に固定されている固定リング１７に保持されている。１８は、レーザなどの変位計であり、遮蔽板１１の変位を検知する。なお、第１のバネ１２と、第２のバネ１５とのバネ定数をそれぞれＫ１、Ｋ２とすると、Ｋ１＞Ｋ２と設定する。即ち、第２のバネの方が、より弱い力で変位するように設定する。しかし、可動リング１６は、だい２のバネ１５により枠体１０の上部に押圧されている。なお、枠体１０に固定された固定リング１７の固定場所を設定することにより、第２のバネ１５に圧縮力を与えることができる。
【００１６】
従って、ある程度以上の力が働くまで、第２のバネ１５は動作しないことになる。このため、ある程度以上の力が働くまで可動リング１６は、動作しないことになる。図示すると、図４のようになる。図４は、横軸に遮蔽板１１の変位を、縦軸に遮蔽板に印加される力を示し、遮蔽板１１の変位特性を示す。直線１９は、第１のバネ１２の変位と力の関係を示し、その傾きがバネ定数Ｋ１である。直線２０は、第２のバネ１５の変位と力との関係を示し、その傾きがバネ定数Ｋ２である。また、直線１９と２０との交点の力が、第２のバネ１５に予め与えられている、固定リング１７による圧縮力である。
【００１７】
次に、その動作について説明する。流体の流量が小さい時は、第１のバネ１２が動作し変位直線１９に沿って遮蔽板１１は変位する。流量が順次増加し、流体力が大きくなり直線１９と２０との交点まで増加すると、第２のバネ１５が動作を始め、より小さい力で遮蔽板が大きく変位することになる。従って、微少流量時には、バネ定数の大きな硬いバネが作用し、数ＭＭＡＱ程度と圧力損失を大きくし、変位計１８で遮蔽板１１の変位を検知し、その変位から再現性よく微少流量を計測することができる。流量が大きくなり流体力が大きくなると、第２のバネが動作する。従って、大流量時には第２のバネの変位直線２０に沿って変位し、より小さい力で遮蔽板が大きく変位する。このため、大流量時には１０ＭＭＡＱ以下と、圧力損失を小さくすることができる。さらに、第２のバネが緩衝材となるため第１のバネ１２に過大な力が印加されることがなくなる。このため第１のバネ１２の耐久性が向上し、微少流量を精度よく検知できる。
【００１８】
図５（Ａ）は、本発明の第４の実施例であり、流体流量計の断面図を示す。遮蔽板１１は平板状のジンバルバネ２１により水平に保持され、流入部９の端面に押圧されるようにした。同図（Ｂ）は円形の平板状のジンバルバネ２１の平面図を示す。中央部の遮蔽板１１は、リング状をしたジンバルバネ２１で支えられている。前記ジンバルバネ２１は周辺部を、コイル状の第２のバネ１５により支えられ、枠体１０に固定された固定リング１７により、枠体１０の上方に固定されたストッパー２２に押圧されている。固定リング１７の位置を適当に設定することにより、ジンバルバネ２１がストッパー２２に押圧される力を調節するころができる。ジンバルバネ２１は、リング状のバネ部分が、交互に直交する連結部２３で連結されている。
【００１９】
このような構成であるため、遮蔽板１１は、流体の流量が変化したとき、流入部９の端面と平行を維持したまま、傾斜することなく変位することになる。変位検出手段１８で、その変位を検出することで、より精度よく流体の微少流量を検知できる。流体力の小さい微少流量時には、ジンバルバネ２１は、ストッパー２２に押圧され定位置に設定されることになり、ジンバルバネ２１の変位特性にしたがって変位する。また、流体力の大きな大流量時には、ジンバルバネ２１は、第２のバネ１５の変位特性にしたがって変位することになり、圧力損失を小さくすることができる。また、第２のバネが緩衝材となるためジンバルバネ２１に過大な力が印加されることがなくなる。ジンバルバネ２１の耐久性が向上し、微少流量を再現性よく精度よく検知できる。
【００２０】
図６は、本発明の第５の実施例であり、流体流量計の断面図を示す。遮蔽板１１を導電性材料で構成するとともに、流入部９の端面にリング状電極２４を、遮蔽板１１と平行になるように構成した。水平を維持したまま変位する遮蔽板１１の変位を、遮蔽板１１とリング状電極２４とで形成されるコンデンサの静電容量で検出し、非接触型変位検出手段とする。この場合、特に微少な変位量をミクロンオーダーで容易に、また、簡単な構成で検出できるため、微少な流量を精度よく計測できる流体流量計を安価に構成することができる。また、遮蔽板１１と、リング状電極２４とが平行に対面する部分を広くとることも可能であるため、流体が流れる流路を狭く、かつ、長く構成することが可能となり、粘性をより大きくとることができるため、より微小な流量域まで検知できる流体流量計を構成するもできる。
【００２１】
図７は、本発明の第６の実施例であり、流体流量計の断面図を示す。遮蔽板１１に固定された中心棒２５が、下流側に設けられたピストン状の差動トランス２６で支えられている。従って、遮蔽板１１は流入部９の端面と常に平行を維持したまま変位し、その変位は差動トランス２６で検知されることになる。差動トランス２６は、比較的簡単な構成で精度よく遮蔽板１１の変位をやや広範囲にわたって検知することができる。このためコイル状の第１のバネ１２の動作範囲全域にわたっての微少流量を精度よく検知できる。また、中心棒２５とピストン状のガイド２６とが、流体に直接さらされないため、ゴミなどによる目詰まりもなく、耐久性に優れた構成となる。さらに、この場合コイル状の第１のバネ１２を差動トランス内に構成し、コイル状の第２のバネ１５で、差動トランス２６を保持する構成も可能である。従って、非常にコンパクトに構成することができる。
【００２２】
図８は、本発明の第７の実施例であり、流体流量計の断面図を示す。差動トランス２６の端面に封じ板２７を取り付けた構成とした。このため、差動トランスが空気ダンパとしても動作することになる。従って、流量の急激な変化に対しても遮蔽板１１が不要な振動をすることがなくなり、流量変化に対しても応答性よく安定して流量を検知することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかのように本発明の流体流量計によれば次の効果が得られる。
【００２４】
（１）流体を導入する流入部と、前記流入部の端面に第１の弾性体の復元力により押圧された流体遮蔽板と、前記第１の弾性体を保持する第２の弾性体と、前記遮蔽板の位置を検知する位置検知手段とからなる構成であるので、微少流量値を精度よく検知するとともに、大流量時には、遮蔽板が小さい力で大きく変位するため、圧力損失を小さくすることができる。
【００２５】
（２）流体を導入する流入部と、前記流入部の端面に、平行関係を維持したまま移動するよう平板状のジンバルバネからなる第１の弾性体で押圧された流体遮蔽板と、前記平板状のジンバルバネの周辺部を保持するコイルバネからなる第２の弾性体と、前記遮蔽板の位置を検知する位置検知手段とからなる構成とすれば、やや広い範囲の微少流量値を精度よく検知するとともに、大流量時には、遮蔽板が小さい力で大きく変位するため、圧力損失を小さくすることができる。
【００２６】
（３）流体を導入する流入部と、前記流入部の端面に、平行関係を維持したまま移動するよう平板状のジンバルバネからなる第１の弾性体で押圧された導電性材料で構成される流体遮蔽板と、前記平板状のジンバルバネの周辺部を保持するコイルバネからなる第２の弾性体と、前記流入部の端面に前記遮蔽板と平行にリング状電極を設け、前記遮蔽板と前記リング状電極とでコンデンサを構成とすれば、特に微少流量域での遮蔽板の微少な変位を精度よく検知できる
。また、大流量時には、遮蔽板が小さい力で大きく変位するため圧力損失が小さくできる。
【００２７】
（４）流体を導入する流入部と、前記流入部の端面に第１の弾性体の復元力により押圧される流体遮蔽板と、前記第１の弾性体を保持する第２の弾性体と、前期流体遮蔽板を下流側に設けたピストン状の軸受けで保持するとともに、前記ピストン状の軸受けを差動トランスで構成すれば、かなり広い範囲の微少流量域を精度よく検知することができる。また、大流量時には、遮蔽板が小さい力で大きく変位するため圧力損失が小さくできる。
【００２８】
（５）流体を導入する流入部と、前記流入部の端面に第１の弾性体の復元力により押圧される流体遮蔽板と、前記第１の弾性体を保持する第２の弾性体と、前期流体遮蔽板を下流側に設けたピストン状の軸受けで保持するとともに、前記ピストン状の軸受けを凹字型の差動トランスで構成すれば、差動トランスが空気ダンパーとして動作するため、流量が急激に変化しても遮蔽板が振動することがなくなり、応答性よく微少な流量を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における流体流量計の断面図
【図２】本発明の第２の実施例における流体流量計の断面図
【図３】本発明の第３の実施例における流体流量計の断面図
【図４】バネの特性図（変位と力の関係図）
【図５】（Ａ）本発明の第４の実施例における流体流量計の断面図
（Ｂ）同流量計のジンバルバネの平面図
【図６】本発明の第５の実施例における流体流量計の断面図
【図７】本発明の第６の実施例における流体流量計の断面図
【図８】本発明の第７の実施例における流体流量計の断面図
【図９】従来の熱線式流体流量計の測温抵抗体を示す斜視図
【符号の説明】
９  流入部
１０  枠体
１１  遮蔽板
１２  コイルバネ
１３  定位置検出手段
【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】
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【図８】
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【図９】
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