(57)【要約】【課題】ポンプの特性に依存することなく高精度に流量を検出し得る技術を提供する。【解決手段】羽根車式流量センサ（１０）は、羽根車（４０）と、羽根車を回転自在に収容支持する収容室（２０１）と、流入口（１３）から収容室まで連通する流体の流入路（２２０）と、収容室から流出口（１４）まで連通する流体の流出路（２３０）と、を備えており、当該流入路における収容室への吐出口（２２２）の開口面積が流入口（１３）の開口面積よりも小さく、当該流入路は、流入口から吐出口へ向かって流路断面積が小さくなる流路縮小部（２２１）を含むことを特徴とする。【選択図】図６
2019117174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車と、
前記羽根車を回転自在に収容支持する収容室と、
流入口から前記収容室まで連通する流体の流入路と、
前記収容室から流出口まで連通する流体の流出路と、
を備え、
前記流入路における前記収容室への吐出口の開口面積が前記流入口の開口面積よりも小さく、
前記流入路は、前記流入口から前記吐出口へ向かって流路断面積が小さくなる流路縮小部を含む、
ことを特徴とする羽根車式流量センサ。
【請求項２】
前記流出口は、前記羽根車の回転軸の軸方向における前記羽根車の上端縁部よりも上方に設けられており、
前記収容室は、前記羽根車の回転軸の下端部を軸支する底面と、該底面と対向し前記羽根車の上方を覆う上面とを含み、
前記収容室の前記上面は、前記回転軸よりも前記流入路側に位置する第一上面部と、前記回転軸より前記流出路側に位置する第二上面部とを含み、
前記第二上面部は、前記第一上面部よりも上方に位置する、
ことを特徴とする請求項１に記載の羽根車式流量センサ。
【請求項３】
前記第二上面部は、前記回転軸から前記流出路に向う方向に傾斜状又は円弧状に高くなる上面上昇部を含む、
ことを特徴とする請求項２に記載の羽根車式流量センサ。
【請求項４】
前記羽根車は、接線流式で回転するように支持されており、前記羽根車の回転軸付近から半径方向の外周まで円弧状に延びる大羽根部と、該大羽根部よりも短く該外周まで円弧状に延びる小羽根部とを含み、
前記大羽根部と前記小羽根部とが前記羽根車の周方向に交互に並設されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の羽根車式流量センサ。
【請求項５】
前記羽根車は、前記回転軸の軸方向における前記大羽根部及び前記小羽根部の上端縁において、前記大羽根部と前記小羽根部との間を閉塞する閉塞部を更に含み、
前記回転軸の軸方向における前記大羽根部及び前記小羽根部の下端縁において、前記大羽根部と前記小羽根部との間は開放されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の羽根車式流量センサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の羽根車式流量センサと、
前記羽根車式流量センサに流入する流体を送り出すチューブポンプと、
前記羽根車式流量センサからの検出信号により前記チューブポンプの駆動手段を制御する制御手段と、
を備える流量制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体で羽根車を回して流体の流量を検出する羽根車式流量センサ及びそれを用いた流量制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流量を検出する手法として、差圧式、超音波式、コリオリ式、羽根車式など様々な手法が知られている。なかでも、羽根車式の流量検出に関しては、下記特許文献１から５において各種手法が提案されている。
【０００３】
下記特許文献１には、流体の流入路と流出路とを備えたケースと、円盤部の外周に羽根部を備えてケースに回転自在に収容支持され流入路から流入する液体等を羽根部で回転方向に受けて回転する羽根車とを備えた回転羽根装置であって、羽根車の回転中心部に、泡抜き用の連通路を流出路と共用の構成として対向配置した回転羽根装置が提案されている。
下記特許文献２及び３には、小流量域におけるマイナス傾向の誤差の改善を図り、流量計側精度の向上を図る羽根車式流量検出器が提案されている。
下記特許文献４には、大流量域のプラス方向に偏位する誤差を減少して流量計側精度の向上を図る羽根車式流量検出器が提案されている。
下記特許文献５には、駆動羽根とその駆動羽根より少数の検出羽根とを同軸に設けた羽根車と、内部に羽根車を収容する室を形成し、その室下方で駆動羽根に対応する位置に室弧面の略接線方向へ流体を導入する入口と、室上方で検出羽根に対応する位置に開口する出口とを備えて、少なくとも検出羽根に対応する位置を透明材で形成したケーシングとを備える流量センサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３５５２号公報
【特許文献２】実開平６−６９７４０号公報
【特許文献３】実開平６−６９７３９号公報
【特許文献４】実開平６−６９７３８号公報
【特許文献５】実開平４−５１６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
羽根車式の流量検出に関する上述の提案手法では、流量の大小については考慮されているものの、流体を流動させるポンプの特性については考慮されていない。例えば、ダイヤフラムポンプやチューブポンプ等では、送り出される流体に脈動が生じることが知られているところ、上述の提案手法では、脈動する流体について検出精度を維持できるかについては疑問が生じるところである。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ポンプの特性に依存することなく高精度に流量を検出し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成をそれぞれ採用する。
本発明の第一側面に係る羽根車式流量センサは、羽根車と、その羽根車を回転自在に収容支持する収容室と、流入口から収容室まで連通する流体の流入路と、収容室から流出口まで連通する流体の流出路と、を備えており、当該流入路における収容室への吐出口の開口面積が流入口の開口面積よりも小さく、当該流入路は、流入口から吐出口へ向かって流路断面積が小さくなる流路縮小部を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第二側面に係る流量制御システムは、第一側面に係る羽根車式流量センサと、その羽根車式流量センサへ向けて流体を送り出すチューブポンプと、羽根車式流量センサからの検出信号によりチューブポンプの出力を制御する制御手段と、を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
上記各側面によれば、ポンプの特性に依存することなく高精度に流量を検出し得る技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一実施形態に係る羽根車式流量センサを下側（図１の下側）から目視した斜視図である。
【図２】第一実施形態に係る羽根車式流量センサの分解図である。
【図３】第一実施形態に係る羽根車式流量センサの上ケーシング部を下側（図３の下側）から目視した斜視図である。
【図４】図４（ａ）は、羽根車を上側（図４（ａ）の上側）から目視した斜視図であり、図４（ｂ）は、羽根車を下側（図４（ｂ）の下側）から目視した斜視図である。
【図５】第一実施形態に係る羽根車式流量センサの下面を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、図５のＡ−Ａ線の断面模式図であり、図６（ｂ）は、図５のＢ−Ｂ線の断面模式図であり、図６（ｃ）は、図５のＣ−Ｃ線の断面模式図である。
【図７】第二実施形態に係る流量制御システムの構成を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に挙げる各実施形態はそれぞれ例示であり、本発明は以下の各実施形態の構成に限定されない。
以下の説明では、説明の便宜のため、羽根車の軸方向が鉛直方向となる各実施形態に係る羽根車式流量センサの一使用態様に従って、上下方向（鉛直方向）を示すものとする。
【００１２】
［第一実施形態］
第一実施形態に係る羽根車式流量センサ（以降、流量センサと略称する場合もある）１０について適宜図面を用いて説明する。
図１は、第一実施形態に係る羽根車式流量センサ１０を下側（図１の下側）から目視した斜視図である。
流量センサ１０で検出対象とされる流体は、液体や気体など一般的な羽根車式流量センサで検出可能な流体であれば、特に限定されない。なお、一般的な羽根車式流量センサにおいては、粘性の比較的低い液体が検出対象として好適であることが知られている。以下、流量センサ１０で検出対象とされる流体を単に流体と表記するものとする。
【００１３】
流量センサ１０は、外形として、平面視が角丸長方形のケーシング１１と、そのケーシング１１の両側方から突出するチューブ連結部１２ａ及び１２ｂとを有する。
チューブ連結部１２ａ及び１２ｂは、筒状の直筒部と、直筒部よりも先端側に設けられており先端側に向けてテーパ状に外径寸法が縮径する断面円形の外周面を有するテーパ部とをそれぞれ含んでいる。
【００１４】
チューブ連結部１２ａの先端（テーパ部の先端）には流体の流入口１３が設けられており、その流入口１３から後述する収容室２０１まで連通する流体の流入路２２０の一部がチューブ連結部１２ａ内を貫通している。このため、チューブ連結部１２ａを流入側チューブ内に挿入することで、流入側チューブの内周面とチューブ連結部１２ａの外周面とを密着させた状態で直筒部の外周面とテーパ部の基端側外周面との段差で流入側チューブを係止させることができる。結果、チューブ連結部１２ａと流入側チューブとを高気密に連結することができるため、流入側チューブ内を通る流体を漏らすことなく流入口１３から流量センサ１０内に流入させることができる。
【００１５】
同様に、チューブ連結部１２ｂの先端（テーパ部の先端）には、流体の流出口１４が設けられており、後述の収容室２０１から流出口１４まで連通する流体の流出路２３０の一部がチューブ連結部１２ｂ内を貫通している。このため、チューブ連結部１２ｂを流出側チューブ内に挿入することで、チューブ連結部１２ａ側と同様に、チューブ連結部１２ｂと流出側チューブとを高気密に連結することができるため、流量センサ１０内を通過した流体を漏らすことなく流出口１４から流出側チューブ内に送り出すことができる。
【００１６】
ケーシング１１、チューブ連結部１２ａ及び１２ｂは、プラスチックなどの合成樹脂や鉄やアルミなどの金属素材で成形される。但し、流量センサ１０を成形する材料は、特に限定されず、チューブ連結部１２ａ及び１２ｂと連結させる流入側及び流出側の各チューブよりも剛性の高い素材で成形されればよい。
同様に、流入側及び流出側の各チューブの材料についても制限されない。
各チューブ、ケーシング１１、チューブ連結部１２ａ及び１２ｂの材料は、流体の温度や流体の種類、或いは流量センサ１０の価格帯などに応じて適宜決められれば良い。
【００１７】
ケーシング１１は、内部に、上述の流入路及び流出路に加えて、羽根車４０を回転自在に収容支持する収容室２０１を有している。これにより、チューブ連結部１２ａの先端に設けられた流入口１３から流入した流体は、流入路を通り、流入路の吐出口から収容室２０１へ吐出され、収容室２０１から流出路を通り、チューブ連結部１２ｂの先端に設けられた流出口１４から流出する。
流量センサ１０は、このようにケーシング１１内に流入した流体の流れる力で羽根車４０を回転させ、この回転に関する検知信号（電気信号）を出力する。
【００１８】
図２は、第一実施形態に係る羽根車式流量センサ１０の分解図である。図３は、第一実施形態に係る羽根車式流量センサ１０の上ケーシング部３０を下側（図３の下側）から目視した斜視図である。
図２に示されるように、ケーシング１１は、主に、下ケーシング部２０と上ケーシング部３０とから構成されており、下ケーシング部２０の上面と上ケーシング部３０の下面とがシール部材１８を介して接合することで構成されている。
ここで、上述のチューブ連結部１２ａ及びチューブ連結部１２ｂは下ケーシング部２０に設けられている。更に、本実施形態では、部品点数を削減し低コスト化を実現するべく、上述のチューブ連結部１２ａ及びチューブ連結部１２ｂは、下ケーシング部２０と一体成形されている。
【００１９】
また、下ケーシング部２０はその上面の中央部に凹部２５０を有しており、上ケーシング部３０はその下面の中央部に凸部３５０を有している。
下ケーシング部２０と上ケーシング部３０との接合状態では、下ケーシング部２０の凹部２５０に上ケーシング部３０の凸部３５０が嵌合される。この嵌合状態において、下ケーシング部２０の凹部２５０及び上ケーシング部３０の凸部３５０は、相互の形状により、後述する収容室２０１及び流出路を形成する。また、凹部２５０及び凸部３５０が嵌合することで、下ケーシング部２０と上ケーシング部３０とは互いに係止して離脱を規制する。
【００２０】
シール部材１８は、下ケーシング部２０の凹部２５０の外周を周回可能な形状（環形状）を有している。シール部材１８は、下ケーシング部２０と上ケーシング部３０との接合状態において、上ケーシング部３０のシール溝３５２に圧入されつつ下ケーシング部２０の上面における凹部２５０の外周部に接合される。これにより、シール部材１８は、下ケーシング部２０の凹部２５０と上ケーシング部３０の凸部３５０とで形成される収容室２０１及び流出路から流体が漏れ出ないようにシールする。
シール部材１８は、流体を透過させず、流体に対する耐性を有し、下ケーシング部２０と上ケーシング部３０との密着性を実現する柔軟性を有する材料で形成されることが好ましい。例えば、シール部材１８は、天然ゴムや合成ゴム、テフロン（登録商標）樹脂などで形成される。
【００２１】
収容室２０１には、羽根車４０が回転軸５１により回転自在に収容支持されている。
回転軸５１は、その下端部が下ケーシング部２０に形成されている収容室２０１の底面に軸支されている。本実施形態では、回転軸５１の上端部は固定されていないが、当該上端部は、上ケーシング部３０の収容室２０１の上面（天井面）に軸支されていてもよい。
【００２２】
更に、上ケーシング部３０の上面側（収容室２０１の上面の裏側）にはホールＩＣ５３が装着されている。本実施形態では、ホールＩＣ５３は、収容室２０１の上方の流入路側の概ね半分を覆う位置に装着されている。
ホールＩＣ５３は、内蔵するホール素子（磁気センサ）により羽根車４０に設けられたドーナツ型磁石の磁界を検知して、羽根車４０の回転の検知信号を出力する。ホールＩＣ５３が出力する検知信号は、Ｓ極若しくはＮ極のいずれか一方の接近によりＯＮとなり他方の接近によりＯＦＦとなるデジタル信号であってもよいし、Ｓ極若しくはＮ極のいずれか一方又は両方の接近によりＯＦＦとなり離間によりＯＮとなるデジタル信号であってもよいし、Ｓ極又はＮ極の強さに対応するアナログ信号であってもよい。
また、本実施形態では、羽根車４０の回転を磁気で検知するが、機械式、光式などといった他の手法で羽根車４０の回転が検知されてもよい。
【００２３】
＜羽根車の構造＞
図４（ａ）は、羽根車４０を上側（図４（ａ）の上側）から目視した斜視図であり、図４（ｂ）は、羽根車４０を下側（図４（ｂ）の下側）から目視した斜視図である。
羽根車４０は、厚み方向に貫通する軸孔４２と、その軸孔４２付近から半径方向の外周まで円弧状に延びる大羽根部４４と、大羽根部４４よりも半径方向の長さが短く当該外周まで円弧状に延びる小羽根部４５とを有している。
【００２４】
軸孔４２には、収容室２０１の底面で軸支され上下方向に延びる回転軸５１が挿通されており、このため、羽根車４０は、軸方向が上下方向となりかつ接線流式で回転するように、回転軸５１により収容室２０１内に支持されている。
ここで「接線流式」とは、流体で羽根車を回す方式の一つであり、流体の流れ方向と羽根車の軸方向とが直交する（完全に直交している必要はない）方式であり、他の方式としては、流体の流れ方向と羽根車の軸方向とが同一となる軸流式がある。
また、本実施形態では、大羽根部４４及び小羽根部４５はそれぞれ７個ずつ設けられており、大羽根部４４と小羽根部４５とが羽根車４０の周方向に交互に並設されている。
【００２５】
安定的に羽根車を回転させるには、流体を受ける羽根部が多数設けられることが望ましい。一方、検出対象を微小流量とする場合には、羽根車全体の寸法を小さくする必要があるため、羽根車に設ける羽根部の数に制限が生じ得る。羽根車全体の寸法を小さくしながら多数の羽根部を設けようとすると、個々の羽根部の寸法が微小になり、製造上及びコスト上の問題が生じるからである。
そこで、本実施形態のように、羽根車４０の流体を受ける箇所（外周）には多くの羽根部（大羽根部４４及び小羽根部４５）を集積させて、回転軸５１周辺には一部の羽根部（大羽根部４４）のみを存在させることで、微小流量でも安定的に回転する羽根車４０を実現することができる。なお、このような羽根部の集積構造は、微小流量のみならず、小流量以上の流量でも同様に、安定回転を実現し得るものである。
更に、大羽根部４４及び小羽根部４５のそれぞれは、流体の流れる方向に向かって凸の円弧形状に延設されているため、流体を捉え易く、流体の流れる力を効率的に回転運動に変えることができるようになっている。
ここで、「微小流量」は、０．５Ｌ（リットル）／ｍｉｎ（分）未満の流量を示すことが好ましく、より好ましくは０．１Ｌ／ｍｉｎ未満の流量を示し、更に好ましくは１０ｍｌ（ミリリットル）／ｍｉｎ（分）未満を示す。
【００２６】
また、羽根車４０は、厚み方向（軸方向）の上端部に環状プレート部４９を有しており、大羽根部４４及び小羽根部４５の上端縁は環状プレート部４９の下面と連設されている。このため、大羽根部４４及び小羽根部４５は、環状プレート部４９の下面側から下方に突設された形状を有しており、大羽根部４４の上端縁と小羽根部４５の上端縁との間は、環状プレート部４９により閉塞されている。即ち、環状プレート部４９は、回転軸５１の軸方向における大羽根部４４及び小羽根部４５の上端縁において、大羽根部４４及び小羽根部４５との間を閉塞する閉塞部と呼ぶこともできる。
従って、羽根車４０は、回転軸５１の軸方向における大羽根部４４及び小羽根部４５の上端縁において、大羽根部４４及び小羽根部４５との間を閉塞する閉塞部を更に有しており、回転軸５１の軸方向における大羽根部４４及び小羽根部４５の下端縁においては、大羽根部４４と小羽根部４５との間は開放されていると表記することができる。
【００２７】
このように、羽根車４０の軸方向の上端縁側において閉塞部（環状プレート部４９）を設けることで、流体の流れを逃がすことなく流体を大羽根部４４及び小羽根部４５で確実に捉えて羽根車４０を安定的に回転させることができる。更に言えば、上端縁側のみに閉塞部を設けて、下端縁側を開放することで、流体を下方側に留めることができるため、収容室２０１内の気泡を効率的に押し出すことができる。加えて、閉塞部を一方端縁側のみとすることで、部品点数を抑え、低コスト化にもつながる。
【００２８】
環状プレート部４９の中央部（内環部）には、環状プレート部４９と同心の環形状を有し下方に窪んだ環状凹部４１が設けられている。そして、環状凹部４１の中央部（内環部）には環状プレート部４９の上面と略同一の高さまで上方に突設された円筒体が設けられており、その円筒体を上下方向に軸孔４２が貫通している。
当該環状凹部４１には、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に配置されたドーナツ型磁石（図示せず）が嵌入される。これにより、ドーナツ型磁石は、羽根車４０に固定され、羽根車４０と一体的に回転する。上述のホールＩＣ５３は、このドーナツ型磁石の回転に伴う磁界の変化を検知することで、羽根車４０の回転を検知することができる。
【００２９】
上述の環状凹部４１の外形は、羽根車４０を下方側から目視した場合に、図４（ｂ）に示されるように、円柱体４３として視認される。言い換えれば、環状プレート部４９の中央部（内環部）には円柱体４３が下方に突設されている。その円柱体４３の下面は、軸孔４２から半径方向の外周までの長さの略半分を半径とする円状面となっており、その下面（円状面）の中心に軸孔４２が開孔されている。
【００３０】
この円柱体４３と各羽根部との関係は、次のようになっている。
小羽根部４５は、円柱体４３の側周面から羽根車４０の外周まで円弧状に延設されている。
また、円柱体４３の下面は、大羽根部４４及び小羽根部４５の各下端よりも上方に（環状プレート部４９の近くに）位置している。
そして、大羽根部４４は、軸孔４２付近から円柱体４３の下面の端縁までは、その下面から下方に突設された形となっており、その下面の端縁から羽根車４０の外周までは、小羽根部４５と同様に環状プレート部４９から下方に突設された形となっている。このように、大羽根部４４は、外周付近では小羽根部４５と同形状を有しながら、軸周辺では小羽根部４５よりも幅狭で円柱体４３から下方に延びる形状を有している。そして、大羽根部４４と小羽根部４５との下端面の位置は揃えられており同一平面に位置している。
【００３１】
このような円柱体４３を設けることで、小羽根部４５が回転軸５１付近に設けられていなくとも、収容室２０１内の気泡が回転軸５１付近に滞留するのを防ぐことができる。
更に言えば、円柱体４３の下面より下方にも大羽根部４４を設けることで、回転軸５１周辺のその下面周辺にも流れを発生させ、その周辺に滞留しようとする気泡を追い出すことができる。
【００３２】
本実施形態において羽根車４０の素材及び製造方法は何ら制限されない。例えば、羽根車４０は、プラスチックなどの合成樹脂や鉄やアルミなどの金属素材で成形されてもよい。
但し、低コスト化を実現するためには、ドーナツ型磁石を除き、羽根車４０は、樹脂により一体成形されることが望ましい。この場合、大羽根部４４、小羽根部４５、円柱体４３、環状プレート部４９などは一体成形される。
樹脂を用いることで羽根車４０の軽量化も実現できるため、微小流量にも適応可能となる。しかしながら、樹脂を用いる場合、羽根車４０の羽根部の薄さには制限がかかるため、羽根部の多集積化を共に実現するためには、本実施形態における羽根車４０の構造は一層効果的である。
【００３３】
＜流路の構造＞
以下、ケーシング１１内に形成されている流体流路の構造について図５及び図６を用いて説明する。図５は、第一実施形態に係る羽根車式流量センサ１０の下面を示す図であり、図６（ａ）は、図５のＡ−Ａ線の断面模式図であり、図６（ｂ）は、図５のＢ−Ｂ線の断面模式図であり、図６（ｃ）は、図５のＣ−Ｃ線の断面模式図である。なお、図６（ａ）では、分かり易くするために、羽根車４０及び回転軸５１が模式的に表されている。
【００３４】
流量センサ１０（ケーシング１１）内に形成されている流体の流路には、大きく、流入口１３から収容室２０１まで連通する流入路２２０と、羽根車４０を回転自在に収容支持する収容室２０１と、収容室２０１から流出口１４まで連通する流出路２３０とが含まれる。
流入路２２０は、吐出口２２２を介して収容室２０１と連通している。
吐出口２２２は、収容室２０１の（下ケーシング部２０側の）側周面に設けられている。具体的には、吐出口２２２は、羽根車４０が収容室２０１に収容支持された状態における大羽根部４４及び小羽根部４５の幅方向（羽根車４０の軸方向）の中央付近に設けられている。これにより、吐出口２２２から吐出された流体で羽根車４０を効率よく回転させることができる。
【００３５】
また、吐出口２２２の開口面積は、流入口１３の開口面積よりも小さくなっており、流入路２２０には、流入口１３から吐出口２２２へ向かって流路断面積が小さくなる流路縮小部２２１が設けられている。
このように、収容室２０１への流体の吐出口２２２の開口面積を流体の流入口１３の開口面積よりも小さくすることで、微小流量であっても収容室２０１への流体の吐出圧を維持できるため、安定的に羽根車４０を回転させることができる。また、脈動を持つ流体が検出対象とされても、吐出口２２２の開口面積を小さくすることで脈動を吸収し安定的に羽根車４０を回転させることができる。
【００３６】
更に、吐出口２２２において急激に流路断面積を縮小させるのではなく、上述のような流路縮小部２２１を設けて流入路２２０の流路断面積を吐出口２２２へ向けて徐々に縮小することで、流入路２２０内及び流入側チューブ内の流体の圧力が上がり過ぎるのを防ぎ、ひいては、その流体を送り出すポンプの負荷の過度な上昇を抑制することができる。
【００３７】
ここで、吐出口２２２の開口面積及び流路縮小部２２１の寸法は、流体の特性や検出対象となる流量などに応じて適宜決められることが好ましい。
具体的には、吐出口２２２の開口面積は、微小流量が検出対象とされる場合に小さくし、より大きい流量が検出対象とされる場合に大きくすることが望ましい。他方、流量に対して吐出口２２２の開口面積を小さくし過ぎると、流体の圧が上がり過ぎ、ポンプに過度の負荷がかかってしまう。ポンプの負荷は、流入路２２０における流路縮小部２２１の長さにも依存する。
また、脈動を持つ流体が対象となる場合には、脈動を吸収できるような吐出口２２２の開口面積及び流路縮小部２２１の長さが設定される必要がある。
このように、羽根車４０を安定的に回転させ得る吐出圧、ポンプの負荷、脈動の吸収といった点を考慮して、吐出口２２２の開口面積及び流路縮小部２２１の寸法が適宜決められればよい。
【００３８】
以下、吐出口２２２の開口面積及び流路縮小部２２１の寸法の一具体例を説明する。但し、それらが以下の具体例に限定されるわけではない。
５ｍｌ／ｍｉｎの微小流量を高精度に検出し得る流量センサ１０の具体例では、流入口１３の開口の直径が１ｍｍ（ミリメートル）、吐出口２２２の開口の直径が０．２ｍｍ、流入路２２０の長さが１６ｍｍ、流路縮小部２２１の長さが５ｍｍとされる。この具体例では、流路縮小部２２１により、５ｍｍの流路長で流路断面の直径が１ｍｍから０．２ｍｍへ縮小されている。もちろん、流路縮小部２２１は、流入口１３から吐出口２２２まで、即ち流入路２２０の全ての範囲に設けられてもよいし、上述の例よりも長く又は短くされてもよい。
ここで、流入路２２０における流路縮小部２２１の長さは長くなればなる程、金型の製作が難しくなるため、流路縮小部２２１の長さは製造コストを抑え得る範囲で可能な限り長く決定されることが好ましい。
【００３９】
上述のように流入口１３及び流入路２２０が収容室２０１に収容支持された状態の羽根車４０の各羽根部の幅内（羽根車４０の厚み（上下方向の長さ）内）の位置に配置されているのに対して、流出口１４及び流出路２３０は、収容室２０１に収容支持された状態の羽根車４０の軸方向の上端縁部よりも上方に設けられている。
【００４０】
収容室２０１は、羽根車４０の回転軸５１の下端部を軸支する底面２０３と、底面２０３と対向し羽根車４０の上方を覆う上面（天井面）と、羽根車４０の各羽根部の先端部の並びに沿って立設されている側周面とから形成されている。底面２０３は、下ケーシング部２０の凹部２５０に設けられており、上面（天井面）は、上ケーシング部３０の下面の凸部３５０に設けられており、側周面は、下ケーシング部２０の凹部２５０及び上ケーシング部３０の凸部３５０の組み合わせにより形成される。
また、収容室２０１の上面は、回転軸５１よりも流入路２２０側に位置する流入側上面２０５と、回転軸５１よりも流出路２３０側に位置する流出側上面２０６とから形成されており、流出側上面２０６は、流入側上面２０５よりも上方に配置されている。
【００４１】
羽根車４０の収容室２０１に気泡が残ると、羽根車４０の回転ムラが生じるため、流量センサ１０内に流体を流入させた後は、速やかに気泡を流量センサ１０外に追い出す必要がある。一方で、気泡は容積の大きい収容室２０１内に留まり易いところ、収容室２０１内で気泡が上昇し、気泡の下に流体の流れが出来てしまうと、押し出せず気泡が収容室２０１内に滞留してしまう。
そこで、上述のように、流出口１４及び流出路２３０を収容室２０１に収容支持された状態の羽根車４０の軸方向の上端縁部よりも上方に設けることで、気泡の下に流体の流れが出来難くすることができる。
【００４２】
更に、羽根車４０の回転軸５１周辺は流速が低くなるため気泡が留まり易い。そこで、上述のように、収容室２０１の流入側上面２０５を下方に流出側上面２０６を上方に配置し、羽根車４０と収容室２０１の上面との間隙を流入側で狭く流出側で広くすることで、回転軸５１周辺に滞留しようとする気泡を流出側へ追いやると共に、流出路２３０へ押し出し易くすることができる。
このように本実施形態によれば、流量センサ１０内の気泡を確実に抜くことができ、羽根車４０の回転ムラを低減させ、羽根車４０を安定的に回転させることができる。
【００４３】
また、収容室２０１の流出側上面２０６は、回転軸５１から流出路２３０に向かう方向に、上凸の円弧状に高くなる上面上昇部２０７を含んでいる。但し、上面上昇部２０７は、回転軸５１から流出路２３０に向かう方向に傾斜状に高くなる形状を有していてもよいし、下凸の円弧状に高くなる形状を有していてもよい。
これにより、羽根車４０の回転軸５１周辺に留まり易い気泡を確実に押し出すことができる。
【００４４】
流出路２３０は、収容室２０１からの流体の出口２３２から流出口１４まで連通する流路であり、下ケーシング部２０の凹部２５０と上ケーシング部３０の凸部３５０との組み合わせにより形成される。
そして、出口２３２の開口面積が流出口１４の開口面積よりも大きくなっている。より具体的には、出口２３２の開口は横長の長方形状に形成されており、流出口１４の開口は、出口２３２の開口形状である長方形の短辺を直径とする円形状に形成されている。このため、流出路２３０の流路断面積は、出口２３２から流出口１４に向かって徐々に縮小されている。
これにより、収容室２０１内の気泡及び流体をスムーズに流出路２３０へ送り出すことができる。
【００４５】
上述したとおり、本実施形態に係る流量センサ１０によれば、微小流量かつ脈動を持つ流体を対象とする場合であっても、回転ムラを低減し、羽根車４０を効率よく安定的に回転させることができる。
そして、流量と羽根車４０の回転とは比例関係にあるため、羽根車４０を回転ムラなく安定的に回転させることは、流量を高精度に検出することに繋がる。
即ち、本実施形態によれば、微小流量かつ脈動を持つ流体を対象とする場合であっても、高精度に流量を検出することができる。
【００４６】
［第二実施形態］
以下、第二実施形態に係る流量制御システム（以降、本システムと略称する場合もある）１について図７を用いて説明する。図７は、第二実施形態に係る流量制御システム１の構成を概念的に示す図である。
本システム１は、図７に示されるように、チューブポンプ２と、チューブポンプ２を駆動させるモータ４と、モータ４を制御する制御回路７と、第一実施形態に係る流量センサ１０とを有している。但し、図７には、代表的な構成要素のみを示しているため、本システム１は、図７に示されていない構成要素を更に有していてもよい。
【００４７】
チューブポンプ２は、流体を所望の流量（瞬時流量）で流路に送り出す装置である。チューブポンプ２が設けられている流路は、循環流路であってもよいし、非循環流路であってもよい。
チューブポンプ２は、偏芯ロータを回転させて、弾力性のあるチューブを順次圧迫することでチューブ内の流体を押し出し、一方で、圧迫されていない部分のチューブが開放されてチューブ内に流体を吸引するという仕組みで動作する。このため、チューブポンプ２により送り出される流体には脈動が生じ得る。
【００４８】
本実施形態では、微小流量に対応する小型のチューブポンプ２が採用される。このようなチューブポンプ２が採用されたとしても、本システム１によれば、微小流量を安定供給することができる。例えば、チューブの外径が大よそ１ｍｍから３ｍｍ、吐出流量が大よそ２ｍｌ／ｍｉｎから１００ｍｌ／ｍｉｎ、吐出圧力が１００ｋＰａの性能を備えたチューブポンプ２が利用される。但し、本システム１で利用可能なチューブポンプ２は、このような小型チューブポンプのみに制限されるわけではなく、より大きい流量に対応するチューブポンプであってもよい。
【００４９】
モータ４は、チューブポンプ２の偏芯ロータを回転駆動させる駆動手段である。本実施形態では、モータ４の具体的態様は制限されない。
流量センサ１０は、チューブポンプ２から送り出された流体を受け入れ可能な位置に配置され、チューブポンプ２から送り出された流体を流入側チューブから受け入れ、流出側チューブから送出する。流量センサ１０は、第一実施形態で述べた構造により羽根車４０の回転を検知し、検知された回転に関する検知信号を制御回路７に送る。第一実施形態で述べたとおり、その検知信号の具体的態様は制限されない。例えば、Ｓ極若しくはＮ極のいずれか一方の接近によりＯＮとなり他方の接近によりＯＦＦとなるデジタル信号が検知信号として制御回路７に送られる。
【００５０】
制御回路７は、流量センサ１０からの検知信号によりモータ４を制御する。
チューブポンプ２は、動作原理上、チューブに対して圧迫と開放とを繰り返すため、使用時間に伴いチューブの復元力が低下し同一の回転速度であっても出力される流量が減少する傾向にある。なお、この傾向は、或る一定流量まで減少すると緩やかになり、出力流量も安定してくる。
そこで、本実施形態では、流量センサ１０からの検知信号をチューブポンプ２側へフィードバックすることで、安定流量が維持されるように流量制御を行う。
具体的には、制御回路７は、流量センサ１０からの検知信号に基づいて流量を推定し、その流量が所望の流量となるようにモータ４の回転速度を調整する。
ここで流量センサ１０からの検知信号に基づいて推定される流量は、単位時間あたりの流量であってもよいし、時間次元を除いた瞬時流量であってもよい。
【００５１】
例えば、制御回路７は、羽根車４０の回転速度と流量との相関式を予め保持しておき、流量センサ１０からの検知信号から算出される羽根車４０の回転速度をその相関式に適用することで、流量を推定することができる。また、制御回路７は、流量センサ１０からの検知信号に基づいて、単位時間あたりのパルス数（ＯＮ状態となる数）をカウントし、このパルス数に１パルスあたりの流量を掛け合わせた値を当該単位時間で除算することで、瞬時流量を推定することもできる。
制御回路７は、保持されている所望の流量とその推定された流量との差分を算出し、その差分に応じてモータ４の回転速度を調整することができる。
但し、制御回路７による具体的な制御手法についてはこのような例に限定されない。制御回路７は、流量への変換を行うことなく、羽根車４０の回転速度を用いてモータ４の駆動を調整してもよい。この場合、例えば、制御回路７は、所望の流量に対応する羽根車４０の回転速度が所望の回転速度として保持しておき、検知信号から算出された回転速度がその所望の回転速度となるように、モータ４を制御することもできる。
【００５２】
制御回路７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）のようなプロセッサ（情報処理装置）やメモリを備えており、メモリに格納されるプログラムがプロセッサで実行されることで、上述のような処理を行うことができる。この場合、上述の相関式などはプログラムとして記載されてもよい。
また、制御回路７は、上述のような処理を実行可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）として実現されてもよい。制御回路７の具体的実現手法は何ら制限されない。
上述の所望の流量は、ロータリースイッチのようなハードウェアスイッチにより設定されてもよいし、タッチパネルのようなユーザインタフェース装置を介してユーザ操作により入力されてもよい。ハードウェアスイッチやユーザインタフェース装置は、例えば、制御回路７に接続することができる。
【００５３】
このように、第二実施形態では、チューブポンプ２から送り出された流体を受け入れ可能な位置に配置された流量センサ１０から出力される検知信号に基づいて、所望の流量が維持されるようにチューブポンプ２のモータ４（駆動手段）が制御される。
また、第二実施形態で利用される流量センサ１０は、第一実施形態で述べたとおり、脈動を持つ流体の微小流量であっても高精度に流量を検出し得る。
従って、第二実施形態によれば、脈動を生じさせかつ微小流量に対応するチューブポンプ２が利用されるシステムにおいても、長く安定した流量を維持することができる。
【００５４】
［補足］
第一実施形態の説明では、羽根車４０の軸方向が鉛直方向となる流量センサ１０の好ましい一使用態様に従って、上下方向が示されたが、流量センサ１０の使用態様は、そのような使用態様に限定されるわけではない。即ち、当該流量センサ１０は、羽根車４０の軸方向が鉛直方向とずれた態様でも使用可能である。但し、気泡を効率よく抜くことに鑑みれば、流出口１４が流入口１３よりも鉛直方向の上方に位置するような使用態様であることが好ましい。
【００５５】
また、第二実施形態では、チューブポンプ２が利用されるシステムに第一実施形態に係る流量センサ１０が利用されたが、流量センサ１０を利用可能なシステムは第二実施形態に係るシステムのみに制限されないことは言うまでもない。流量センサ１０は、ダイヤフラムポンプが利用されるシステムに利用されてもよいし、脈動を生じさせないポンプが利用されるシステムやより大きい流量のシステムに利用されてもよい。
更に言えば、第二実施形態に係る流量制御システムにおいて、チューブポンプ２に代えて、ダイヤフラムポンプや脈動を生じさせないポンプなど他種のポンプが利用されてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１  流量制御システム、２  チューブポンプ、４  モータ、７  制御回路、１０  流量センサ、１１  ケーシング、１２ａ  チューブ連結部、１２ｂ  チューブ連結部、１３  流入口、１４  流出口、１８  シール部材、２０  下ケーシング部、３０  上ケーシング部、４０  羽根車、４１  環状凹部、４２  軸孔、４３  円柱体、４４  大羽根部、４５  小羽根部、４９  環状プレート部、５１  回転軸、５３  ホールＩＣ、２０１  収容室、２０３  底面、２０５  流入側上面、２０６  流出側上面、２０７  上面上昇部、２２０  流入路、２２１  流路縮小部、２２２  吐出口、２３０  流出路、２３２  出口、２５０  凹部、３５０  凸部、３５２  シール溝
【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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