(57)【要約】【課題】  スリットを透過する光の断続を検出する透過法によって回転数を検出するエンコーダを工夫することにより、デューティ比が略５０％の電気的パルス信号を発生させる。【解決手段】  本発明は、流入口と流出口間の圧力差により回転駆動される一対の非円形回転子の回転を光学的に検出することにより流体流量を計測する。非円形回転子に比例して回転する薄板円環エンコーダには、円周ラインに沿って多数個のスリットを備え、このエンコーダの両側においてスリット位置を挟むように光源と光検出器を相対向して固定する。エンコーダの円周ラインに沿った非スリット部の幅に対するスリット部の幅の比をスリット比率とし、かつ、光が非スリット部で遮断されるパルスオフ時間に対する該スリットを透過する際のパルスオン時間の比をパルスオン比率として、パルスオン比率よりもスリット比率を小さくすることにより、目標とする所望のパルスオン比率を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流入口及び流出口を有しかつ計量室を設けたケーシング内に、流入口と流出口間の圧力差により回転駆動されると共に互いに噛合する一対の非円形回転子を配設し、該一対の非円形回転子のいずれかの回転を光学的に検出することにより流体流量を計測する容積式流量計の光学的センサにおいて、
前記非円形回転子に比例して回転する回転軸に取り付けられた薄板円環エンコーダを備え、該エンコーダの回転を検出することにより前記非円形回転子の回転を検出するよう構成し、
該エンコーダには、円周ラインに沿って多数個のスリットを備え、この回転する簿板円環エンコーダの両側において前記スリット位置を挟むように光源と光検出器を相対向して固定し、
前記エンコーダの前記円周ラインに沿った非スリット部の幅に対するスリット部の幅の比をスリット比率とし、かつ、光源からの光が遮断されるパルスオフ時間に対する前記スリットを透過する際のパルスオン時間の比をパルスオン比率として、パルスオン比率よりもスリット比率を小さくした前記多数個のスリットを形成することにより、目標とする所望のパルスオン比率を得る、
ことを特徴とする容積式流量計の光学的センサ。
【請求項２】
前記薄板円環エンコーダは、前記一対の非円形回転子のいずれかの回転軸延長部に取り付けられる請求項１に記載の容積式流量計の光学的センサ。
【請求項３】
前記相対向して固定される光源と光検出器は、それぞれＬＥＤ及びホトダイオードに光学的に結合された光ファイバの先端であり、該ＬＥＤの駆動順電流に依存して前記スリット比率をより小さくすることにより略５０％のパルスオン比率を得る請求項１に記載の容積式流量計の光学的センサ。
【請求項４】
前記スリットは、前記エンコーダの外周に近い位置において、等間隔に円の中心に対して等距離位置に配置される台形形状の同一形状のスリットである請求項１に記載の容積式流量計の光学的センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流入口と流出口間の圧力差により回転駆動される非円形回転子の回転を光学的に検出することにより流体流量を計測する容積式流量計の光学的センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、容積式流量計の回転検出のために、光学的に検出する方法が公知である。図６は、従来の光学的センサを備える容積式流量計を説明する図である（特許文献１参照）。図示の容積式流量計は、流入口、流出口を有し、計量室を設けたケーシング内で噛合する一対の非円形歯車(回転子)６、７が配設されている。８、９はそれぞれ回転軸を示している。該回転子６、７は流入口、流出口間の圧力差により回転駆動され、流入口から流出口への流れにおいては、図中矢印に示す方向に回転する。流量は、回転子６、７の回転に比例しており、流量は回転子６又は７の回転を検知することにより計測される。
【０００３】
この回転を検出する光学的センサは、薄板円環エンコーダ11及び光検出器（図示省略）から構成される。該エンコーダ11は多数個のスリットを有し、かつ非円形回転子６又は７の少なくとも一方の端面に、該端面と略等しい表面となるように埋設されている。また、該エンコーダのスリットに対向して光検出器が設けられており、該光検出器から放射された光が前記エンコーダ11のスリット部又はスリット間の部分で反射され、その反射光を光検出器で受光して該エンコーダ11（従つて非円形回転子）の回転数を計測する。
【０００４】
例示の従来技術は、回転子端面に反射板を配設し、該反射板からの反射光を検出する反射法に関するものであるが、回転子にスリット（貫通孔）を穿孔し、該スリットを透過する光の断続を検出する透過法によっても同様にエンコーダの回転数を検出することができる。
【０００５】
このような光の断続を検出した電気信号もまた、透過する光の断続に対応したパルス信号として検出される。そして、このような電気パルス信号のデューティ比としては５０％が、後続する電気回路で処理するために望ましい。例えば、デューティ比５０％のパルス信号は、そのパルスの立ち上がり及び立ち下がりのそれぞれでトリガーすることにより、容易にパルス周波数を逓倍することが可能となる。
【０００６】
しかし、このような透過法によってエンコーダの回転数を検出する場合、光を透過させるスリットの幅と光を遮断するそれ以外の部分との比を、１：１にしても、デューティ比５０％の電気パルスが得られないことが分かった。デューティ比が５０％とは異なるパルスを、デューティ比が５０％のパルスに電気的に変換、整形することは、電気回路的によく知られた回路を用いて行うことができる。通常、オンとオフが不等間隔の光パルスは、構成する電気回路の閾値及びヒステリシスの変化により、任意の波形比率にする方法で補正が可能である。
【０００７】
一方、近年、種々の電気回路、或いは光学部品がモジュール化されて市販されており、光伝送がより一般化した現在は、オペアンプを含めて、モジュール化された高性能の光伝送モジュールも存在する。それ故、容積式流量計の回転検出手段を、実際に製品化するに際しては、このような市販のモジュールを利用することにより、結局は製品の低コスト化を図ることが可能になる。しかし、このような市販のモジュールを使用することを前提とした上で、デューティ比が５０％のパルスに電気的に変換、整形することは、さらなる電気回路を追加することを意味し、低コストで製品化することは困難となる。
【特許文献１】特許第２５４７３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、係る問題点を解決して、エンコーダにスリットを穿孔し、該スリットを透過する光の断続を検出する透過法によってエンコーダの回転数を検出するに際して、後続する電気回路で処理するのではなく、エンコーダを工夫することにより、デューティ比（パルスオン比率）が略５０％の電気的パルス信号を発生させることを目的としている。
【０００９】
また、これによって、本発明は、市販の標準的な光伝送モジュールの使用を可能にして、電気回路基板スペースの拡大、部品コストを削減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の容積式流量計の光学的センサは、流体の流入口及び流出口を有しかつ計量室を設けたケーシング内に、流入口と流出口間の圧力差により回転駆動されると共に互いに噛合する一対の非円形回転子を配設し、該一対の非円形回転子のいずれかの回転を光学的に検出することにより流体流量を計測する。非円形回転子に比例して回転する回転軸に取り付けられた薄板円環エンコーダを備え、該エンコーダの回転を検出することにより非円形回転子の回転を検出するよう構成する。該エンコーダには、円周ラインに沿って多数個の同一形状のスリットを備え、この回転する簿板円環エンコーダの両側においてスリット位置を挟むように光源と光検出器を相対向して固定する。エンコーダの円周ラインに沿った非スリット部の幅に対するスリット部の幅の比をスリット比率とし、かつ、光源からの光が遮断されるパルスオフ時間に対する該スリットを透過する際のパルスオン時間の比をパルスオン比率として、パルスオン比率よりもスリット比率を小さくした多数個のスリットを形成することにより、目標とする所望のパルスオン比率を得ることを特徴としている。
【００１１】
また、薄板円環エンコーダは、一対の非円形回転子のいずれかの回転軸延長部に取り付けることができる。相対向して固定される光源と光検出器は、それぞれＬＥＤ及びホトダイオードに光学的に結合された光ファイバの先端であり、該ＬＥＤの駆動順電流に依存してスリット比率をより小さくすることにより目標とする所望のパルスオン比率を得ることができる。各スリットは、エンコーダの外周に近い位置において、等間隔に円の中心に対して等距離位置に配置される台形形状のスリットによって構成できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、市販されている高性能の光伝送モジュールの活用を基に製品化する場合、部品に追加がなく、等間隔のパルスを容易に得ることが出来る。このようにして得られた等間隔パルスにより、ダブルパルス（逓倍）を行う場合、或いはハイパルス化を行う場合など、後続の信号処理が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明を具体化する容積式流量計の透過法による光学的回転検出手段を説明するための概略構成図であり、図１（Ａ）は容積式流量計を、また図１（Ｂ）は光学的センサをそれぞれ例示している。図示の容積式流量計は、光学的回転検出手段の構成を除いて、従来公知のものと同一の構成にすることができる。図示の容積式流量計は、流入口、流出口を有し、計量室を設けたケーシング内で噛合する一対の非円形歯車(回転子)６、７が配設されている。８、９はそれぞれ回転子６、７のための回転軸を示している。該回転子６、７は流入口、流出口間の圧力差により回転駆動され、流入口から流出口への流れにおいては、図中矢印に示す方向に回転する。流量は、回転子６、７の回転に比例しており、流量は回転子６又は７の回転を検知することにより計測される。
【００１４】
この回転を検出する光学的センサは、ケーシング外部に導出された回転軸８又は９のいずれかの延長部に取り付けられた薄板円環エンコーダ11及び光検出器から構成される。なお、エンコーダ１１は、回転軸８又は９上に直接取り付けることができるだけでなく、回転子６，７に比例して回転する任意の軸上に取り付けることが可能である。該エンコーダ11は多数個のスリットを有している。また、回転するエンコーダの両側にはスリット部（或いは非スリット部）に面する位置において、ＬＥＤのような光源に光学的に連結される光ファイバの先端と、ホトダイオードＰＤのような光検出器に光学的に連結されている光ファイバの先端が、相対向して固定されている。これによって、光源から放射された光がエンコーダ11のスリット部を通過し、或いはスリット間の部分（非スリット部）で遮断される際、その透過光のみを光検出器で受光して該エンコーダ11（従って非円形回転子）の回転数を計測する。
【００１５】
本発明は、後述するように、このような光センサのエンコーダを工夫したことに特徴を有している。図２は、スリットを用いた光パルス信号の不等間隔問題を説明する図である。図２（Ｂ）に示すように、光を透過させるスリットの幅と光を遮断するそれ以外の部分（非スリット部）の幅との比を、１：１にした場合、デューティ比５０％よりも大きなデューティ比の電気パルスしか得られない。このような不等間隔のパルスは、光漏洩の不均一さから生じる。例示したように、光ファイバの先端から光を放射する場合、光ファイバのコア径は小さいとはいえ、１mm程度あり、理想的な点光源とは言えない。このことからして、ファイバ中心がスリット前端縁に達する前から光を検出すると共に、ファイバ中心が非スリット部の後端縁に達した後も所定時間光を検出することになる。これによって、光検出オン時間が、スリット部の幅に相当する時間よりも長くなるということが生じる。
【００１６】
本発明は、図２（Ａ）に示すように、予め得られた比率によりスリットのオンオフ間隔比（スリット比率）を変更し、結果的に得られた電気的パルス波形を、略５０％デューティ比のような任意の値にすることが可能になる。パルス周波数を増加させるハイパルス化は、後続する回路において例えば制御が容易になるというメリットがある。このようにハイパルス化を必要とする場合に、５０％デューティ比は、そのパルスの立ち上がり及び立ち下がりを利用して、容易にパルス周波数を逓倍することができる。
【００１７】
図３は、５０％間隔比（スリットのある無しが等間隔のオンオフ比で構成）のスリットを用いた光センシングの測定実験結果を示すグラフである。このグラフは、例示した４つのパルス周波数について、ＬＥＤの順電流［ｍＡ］（光の強度の尺度）を横軸として、発生した光パルスのオフの比率［％］を縦軸に表している。図示したように、透過する光量は、スリットの間隔どおりにはオンオフする事はない。発生した光パルスのデューティ比は、ＬＥＤの順電流に依存し、得られた光パルスの波形はある法則に従う。しかし、パルス周波数の変化に依存せずに、略同じ傾向を示している。その具体的内容はグラフに示すように、オフ比率は、ＬＥＤの順電流が小さいときに５０％に近づくものの、５０％以下に留まっている。そして、駆動電流の増加と共に、オフ比率はさらに低下する。ＬＥＤを安定して動作させるためには最低限の駆動電流（１ｍＡ程度）が必要であり、また、不必要に大きな電流を流すことにメリットが無いことを考慮すれば、オフ比率は事実上４０％から１５％の範囲にあるということができる。
【００１８】
本発明は、スリットのオンオフ比（スリット比率）を変化させることにより、光パルスのデューティ比を任意（例えば５０％デューティ比）にする事が出来る。例えば、図３に見られるように、５０％間隔のスリットを用いて、ＬＥＤ駆動電流を1.5ｍＡにした場合、オフの比率は略３０％、それ故オンの比率は７０％となる。このことから、光パルスのオンオフ比を１にするためには、スリットのオンオフ比を、３：７にすることが必要になる。
【００１９】
図４は、このようなオンオフ比３：７で構成されたエンコーダの一例を示す図である。スリットは、全体的には円板形状に構成されるエンコーダの外周に近い位置に、等間隔に円の中心に対して等距離位置に円周ラインに沿って配置される。各スリットは、同一形状の台形に構成して、台形長辺を半径方向外側に、かつ台形短辺を内側にすると共に、この台形の両側辺が、エンコーダ中心から延長した径線上にあるように、エンコーダ中心に向けて配置される。但し、台形長辺及び短辺は、図示した直線状だけでなく、円弧状にすることもできる。これによって、光のオンオフをスリットの内周側或いは外周側のいずれで検出しても、光のオンオフ比は同一となり、その作用は、同一の効果をもたらすことが可能となる。
【００２０】
例示したように、スリット部の幅：非スリット部の幅を、台形の外周側でも、台形の内周側でも、３：７に構成することにより、径方向に異なる位置に２個のセンサを配置しても、同一のスリット比率を得ることができる。ここで、スリット部或いは非スリット部の幅とは、円周ラインに沿ったそれぞれの長さとして定義することができる。
【００２１】
逆転検出を行う為、ダブルセンサを用いる事がある（以下の実施例参照）。この場合は、各々のセンサが異なる円周ライン（異なる曲率半径）の位置にあるため、２個のセンサが同一のスリット比率を得るためには、例示したような構成の台形スリットによって可能になる。
【００２２】
このように、本発明は、エンコーダの円周ラインに沿った非スリット部の長さに対するスリット部の長さの比をスリット比率とし、かつ、光源からの光が非スリット部で遮断されるパルスオフ時間に対する該スリットを透過する際のパルスオン時間の比をパルスオン比率として、パルスオン比率よりもスリット比率を小さくしたことにより、目標とする所望のパルスオン比率を得ることを特徴としている。
【実施例１】
【００２３】
図５は、エンコーダの回転を検出する光学的センサ回路を例示する図である。図中のＬＥＤ(1)及びＬＥＤ(2)からそれぞれ導出された光ファイバの先端は、回転するエンコーダのスリットに対応できる位置において、互いに径方向及び円周方向に間隔をあけて配置される。このエンコーダの反対側において、ＬＥＤからの光ファイバ先端に対向するように、ホトダイオードに結合される光ファイバの先端が配置される。このように配置することにより、ＬＥＤからの光はスリット部を透過し、或いは非スリット部で遮断されるために、ホトダイオードＰＤを含むレシーバモジュール(1)及び(2)で検出され出力される電気信号は、エンコーダの回転に比例したパルス信号となる。
【００２４】
パルス正逆判別回路によって、エンコーダの回転方向、それ故に、流体の流れ方向を検出することができる。前述したように、２つのセンサは、円周方向に間隔をあけて配置しているために、それぞれの出力パルスの位相を比較することにより、正逆回転の検出が可能となる。これによって、例えば、逆方向流れを検出したときに、パルス出力をオフにするような制御をすることができる。
【００２５】
パルス正逆判別回路で正転と判別された出力パルスは、逓倍回路に入力され、ここで、パルス周波数が逓倍されて出力され、さらに図示しない後続の処理回路で利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を具体化する容積式流量計の透過法による光学的回転検出手段を説明するための概略構成図である。
【図２】スリットを用いた光パルス信号の不等間隔問題を説明する図である。
【図３】５０％間隔比のスリットを用いた光センシングの測定実験結果を示すグラフである。
【図４】オンオフ比３：７で構成されたエンコーダの一例を示す図である。
【図５】エンコーダの回転を検出する光学的センサ回路を例示する図である。
【図６】従来の光学的センサを備える容積式流量計を説明する図である。
【符号の説明】
【００２７】
６，７  非円形歯車(回転子)
８，９  回転軸
１１  薄板円環エンコーダ
【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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