計測自動制御学会東北支部第 266 回研究集会(2011.7.20)
資料番号 266-6

LPA を用いた傾斜センサの特性
The Characteristics of the Inclined Plane Sensor by LPA○伊勢博規*，清水久記**，廣木富士男***，山本圭治郎†○Hiroki Ise*，Hisaki Shimizu**，Fujio Hiroki***，Keijiro Yamamoto†*一関高専専攻科**一関高専***工学院大学†神奈川工科大学*Ichinoseki National College of Technology Advanced Engineering Course，**Ichinoseki National College of Technology，***Kogakuin Univ．
，

Kanagawa Institute of Technology†

キーワード： 層流形比例素子(Laminar Proportional Amplifier)，傾斜(Inclined Plane)，
圧力増幅(Pressure Amplifier)，周波数応答(Frequency Response)
連絡先：〒021-8511 一関市萩荘字高梨

一関工業高等専門学校制御情報工学科

清水久記

Tel．：0191-24-4759，：E-mail：shimiz6@ichinoseki.ac.jp―――――――――――――――――――――――――――――――

１．緒言型近接センサとは異なり，二重管構造となってい一般的な傾斜測定は電気計測で行っている場合ることに特徴がある．供給部から送られた流体はが多い．しかし，嫌火性の環境においては使用で外側の管を通り，ノズル先端より外部に噴出する

きないことや高電圧の環境のもとではノイズの影が，先端部にフラッパなどがある場合，噴流が反響が大きいなどの問題が生じており，このような射し，中心部の管内に流れ込み圧力 Po を上昇さ

環境での計測では電気計測によらない傾斜測定方せる．フラッパと先端との隙間 x が狭い場合 Po法が望まれている．

は高く，x が広い場合 Po は低くなる．この圧力は本研究ではこれまで研究している層流形比例素x に関係するため x の変化を圧力 Po により読み取子(Laminar Proportional Amplifiers 以下 LPAることが可能となる．このセンサは旋回流型センと略す)を用いた流体式傾斜センサを考案し，そのサと呼ばれ，背圧型センサより間隔を広く測定で有用性を検討した．この測定法は僅かな傾斜をノきるといわれている．

ズル方式の近接センサで測定し，その出力を LPAで増幅する傾斜センサである．近接センサ，LPAおよび傾斜センサの出力特性実験，周波数応答実21.81.61.4

験を行ったのでその結果を報告する．

Po

1.2

10.8

0.6

0.4

0.20２． 近接センサおよび LPA の形状と動作原理

0Fig.1
２．1 近接センサの形状と動作原理
センサの構造を Fig.1 に示す．これまでの背圧

2468x101214161820

Schematic Diagram of ConventionalProximity Sensor

に約 10 倍の増幅率を持っている．

２．２ LPA の形状
Fig.2 に LPA の形状と各部寸法を示す．LPA は一方，LPA は層流域で作動するため，圧力ゲイ主ノズル，スプリッタと左右に設けられた入力ポンが高く，パワー消費量が小さいなどの特徴があート，出力ポート，ベントおよびベントベーンでる．そのため特に微小圧力の増幅が可能であり，構成されており，左右対称の形状である．この流様々な応用が期待されている素子である．

路パターンに厚みのあるカバープレートを上下に挟み込むことで気密性を高める構造となっている．

３． 試作近接センサおよび LPA の寸法
３．１ 試作近接センサの寸法
今回試作したセンサの形状と各部寸法を Fig.4に示す．

Fig.2

Schematic Diagram of LPA

また素子の各部寸法は主ノズル幅 bs を基準として図の右のように決定している．

Fig.4

Trial Conventional Proximity Sensor

２．３ LPA の動作原理

供給噴流は径 2.6mm と 1.8mm の形状より噴出

噴流の偏向の状況を Fig.3 に示す．(a)のようにし，出力部径 1mm の円筒に回収される二重管構供給ポートから噴出した流体は，左右の入力ポー造となっている。ノズルの径が小さいため，小面トの圧力 PiL，PiR の差が無い場合，流体は真直ぐ積のフラッパ等で動作することが可能である．
３．２ 試作 LPA の寸法試作した LPA の寸法を Fig.5 に示す．

(a)
Fig.3

(b)
Jet Deflection

流れる．しかしながら(b)のように，一方の入力ポートに圧力差を生じさせると，流体は噴流偏向し，Fig.5

Trial LPA

左右に設けた出力ポートに圧力差を生ずることができる．例えば，図のように PiR が大であれば流今回用いた LPA は bs=0.375mm，0.75mm の 2

体は左側の出力ポートに偏向し PoL が大となる．

種類であり，厚さは両方共 0.2mm のものを使用

これにより，圧力増幅率 G は次式で計算される．

P P  PG  o  oR oL
PiPiL  PiR

した．特に傾斜測定にはアナログ量の検出に適す
る bs＝0.75mm の LPA を使用した．

(1)

この素子は流体式増幅器と呼ばれており，一般

３．３ 傾斜センサの構成
近接センサに LPA を組み込んだ傾斜センサの構成を Fig.6 に示す．近接センサの出力部を LPAで出力圧力が急激に上昇していることが分かる．の入力ポートに接続した構成である．これにより，この傾向は供給流量が大きい場合顕著であり，特フラッパとの隙間 x は LPA を用いて増幅することに供給流量が 150ml/s のとき，隙間が 1mm の時が可能である．

点で出力圧力が 0.2kPa 得られることからセンサの供給量流が増加すると，グラフの傾きが比較的緩やかになり，分解能が増すことが分かる．
1.4
qs=40(ml/s)

1.2

qs=70(ml/s)

Fig.6

Inclined Plane Sensor

４． 実験方法および実験結果po(kPa)1qs=100(ml/s)

0.8

qs=150(ml/s)

0.60.40.20012x(mm)

実験方法および実験結果を近接センサの場合，傾斜センサの場合，傾斜測定の場合に分けて説明

Fig.834Output Characteristics of Conventionalする．尚，使用流体は空気を用いた．

Proximity Sensor

４．１ 近接センサの出力特性実験結果

qs=150ml/s における隙間 x と出力圧力 Po の関係

近接センサの出力特性実験装置を Fig.7 に示す．

は次式で表される．

センサの供給部に流量計を接続し，出力部に U 字Po<0.2(2)管マノメータを接続している．フラッパを取り付

0.2≦Po≦0.6(3)けたマイクロメータをセンサの先端部に徐々に接Po>0.6(4)近させ，隙間と出力圧力を U 字管マノメータにて測定した．

４．３ LPA の入出力特性
LPA の入出力特性を Fig.9 に示す．縦軸は出力圧力差，横軸は入力圧力差である．主ノズル幅 bs8000
6000
4000

Experimental Equipment(Output Characteristics)po(Pa)

2000

Fig.7

0-1000 -750 -500 -250

0250

500

750 1000-2000
bs0.25,h0.2４．２ 出力特性の実験結果-4000

近接センサに用いる供給流量を段階的に変化さ

bs0.375,h0.2

せた場合の近接センサの出力特性結果を Fig.8 に-6000

bs0.5,h0.2

bs0.75,h0.2

示す．縦軸は出力圧力，横軸はセンサとフラッパ-8000

pi(Pa)との隙間である．全ての供給流量において隙間が3mm 以内になると出力圧力が得られ，1mm 以内

bs0.375,h0.1

Fig.9

Input-Output Characteristic of LPA

と板厚 h を変化させた場合の結果を示す．入力とる．この傾斜センサにおいては LPA の形状が大き出力の間には比例関係があり，これが増幅率を示

いため出力圧力が高くないが，高速応答が可能でしている．

ある．

流路が狭い場合には内部圧力が上昇するため，60形状の小さい LPA では出力圧力は高くなる．よっSensor

50て，スイッチング動作等を行う場合は有効な素子である．

Inclined Plane Sensor

一方，流路の大きい形状の場合，出力圧力は低いが動作できる入力範囲が広いため，アナログ測po(Pa)403020定を行う場合には有効な素子である．

10４．４ 傾斜センサの入出力特性結果(1)bs=0.375mm，h=0.2mm，qs＝4.8ml/s の LPA

01.52を接続した傾斜センサの実験結果を Fig.10 に示
す．センサの供給流量は 70ml/s である．縦軸は出力圧力，横軸は近接センサとフラッパとの隙間

Fig.112.5x(mm)

33.5Output Characteristics(2)(Sensor，Inclined Plane Sensor by bs0.75，h0.2)である．
1.93mm から 3mm の範囲において近接センサ

４．６ 周波数応答特性実験

単体の場合に比べ，出力圧力が約 18.5 倍増加して周波数応答実験装置を Fig.12 に示す．モータにいる．これにより，対象物との隙間が非接触で高は回転円板がついてあり，ノズル先端との隙間がい出力圧力を検知することが可能である．

変わるようにしている．モータの回転数を変えてLPA の出力圧力の変化を測定した．LPA の出力ポ

400po(Pa)

300

Sensorートにはコンデンサマイクロフォンを取り付け出

Inclined Plane Sensor

力圧力の変化をオシロスコープで観測した．

200

100

01

1.522.533.5x(mm)Fig.10

Output Characteristics(1)(Sensor，Inclined Plane Sensor by bs0.375，h0.2)

Fig.12

Experimental Equipment(Frequency Response)
４．５ 近接センサシステムの入出力特性結果(２)bs=0.75mm，h=0.2mm，qs＝10ml/s の LPA

bs=0.75mm，h=0.2mm，qs=10ml/s の LPA 接を接続した傾斜センサの実験結果を Fig.11 に示

続の傾斜センサにおける周波数応答特性の実験結す．センサの供給流量は 70ml/s である．縦軸は果を Fig.13 に示す．縦軸は増幅率であり，横軸は出力圧力，横軸はセンサとフラッパとの隙間であ周波数である．また，増幅率は最初の測定値を基る．結果から 2.18mm から 3.08mm の範囲におい準とした比率で示している．図から LPA は 50Hzて，出力圧力が約 6.6 倍増加していることが分かを超えても圧力増幅率が減衰しないことが分かる．

これにより，今回測定した領域であれば LPA はるため回転部 B にベアリングを取り付けている．

センサの信号を充分に追従することが可能である．

これにより，測定精度を高くすることが可能であ

また，位相差は今回の測定では生じていない．

る．C には近接センサのノズルを取り付けている．

1.8G

1.4

1Sensor
Inclined Plane Sensor

0.6

Fig.15

Inclined Plane

0.201020304050f(Hz)Fig.13Frequency Response

bs=0.75mm，h=0.2mm，qs=10ml/s の LPA にqs=150ml/s の近接センサを取り付け，傾斜測定を行った結果を Fig.16 に示す．縦軸は出力圧力，横軸は傾斜角度である．－3°～3°の範囲で検出角

４．７ 傾斜測定実験

度と出力圧力は比例関係にある．

今回考案した傾斜実験装置を Fig.14 に示す．傾250

斜装置にある円板の上下に近接センサをそれぞれ200取り付けており，センサの出力部は LPA の左右の斜装置の円板が傾斜する．これにより LPA を組み合わせた傾斜センサの出力圧力に差が生じるため，

po(Pa)

入力ポートに接続している．平面が傾斜すると傾150

left
right100

傾斜角度による出力圧力を測定できる．
500-4-2024θ(°)

Fig.16

Inclined Plane Characteristics

傾斜角度 θ と出力圧力 Po の関係は次のように示される．(5)は左側，(6)は右側の出力圧力特性である．
(5)
Fig.14

Experimental Equipment ofInclined Plane(6)
上式から，±10Pa の出力圧力において角度約±0.3°が検出できる．

傾斜部分の構造を Fig.15 に示す．台が傾斜する

以上の結果より傾斜装置に LPA を組み合わせと台と平行であるコの字型の部分が一軸方向に回た傾斜センサを取り付けることで広範囲で精密な転し平板 A が傾斜する構造である．また，僅かな測定が可能である．

角度でも軸を回転させ，圧力変化を得るようにす

傾斜円板と近接センサのノズルの位置を変える

ことで傾斜角度測定範囲を変えることができる．
応用例としては微圧スイッチなどの計測機器が挙げられ，今後更なる応用範囲の拡大が可能である．

５． 結言
近接センサと LPA を組み合わせた流体式傾斜センサを考案し傾斜測定実験を行った結果，次のことがわかった．
1) 近接センサと LPA を組み合わせることで高出力圧力が得られる．
2) 僅かな傾斜測定が可能であり，圧力±10Pa で約±0.3°の傾斜が測定できた．
3) 50Hz 程度の高速応答に対し傾斜センサの出力圧力が充分追従し，高精度で応答範囲の広い傾斜測定が可能である．

参考文献
1) 例えば 清水，佐藤，畑中：層流形比例素子の圧力ゲインと動作範囲に及ぼす寸法形状の影
響，計測自動制御学会論文集 Vol.22，No.12
76/81(1985)
2) 清水，佐藤，畑中：平面形状が相似な層流形比例素子の特性比較，計測自動制御学会第 1回流体制御シンポジウム講演論文集
70/74(1985)
3) Shimizu，Hayashi：Characteristics of Pneumatic
Proximity Sensor Using a Swirling Jet ( Driven byLow Supply Pressure) ， 油 空 圧 学 会
Power Yokohama’96 pp265~269 (1996)

Fluid