JP2004163221A - フローセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】気体の風速等、流体の流速を計測するフローセンサであって、流れの向き及び微小流速の検知が可能であり、消費電力が小さく、耐久性にも優れ、かつ、ダストフリーなフローセンサを提供する。
【解決手段】気体の風速を計測するフローセンサ１が、被計測気体１０の風力によって変位する流体受部２と、当該流体受部２と共に変位する導電性部３と、当該導電性部３と対向する被計測気体１０に触れない位置に固定され前記導電性部３の変位を検出する変位検知部５とを有する。
【選択図】 図１
【解決手段】気体の風速を計測するフローセンサ１が、被計測気体１０の風力によって変位する流体受部２と、当該流体受部２と共に変位する導電性部３と、当該導電性部３と対向する被計測気体１０に触れない位置に固定され前記導電性部３の変位を検出する変位検知部５とを有する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の風速等、流体の流速を計測するフローセンサに関し、特に、流れの向き及び微小流速の検知が可能であり、耐久性にも優れたフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、気体の風速を計測するフローセンサとして、熱線式、風車式、あるいは超音波式等のセンサが広く用いられていた。
【０００３】
また、風向を検出できると共に、急激な流体の流れの変化を検出できる、ひずみゲージを用いたフローセンサが、特開平７−２７７８１号公報に開示されている。かかるセンサは、被計測流体の流れる力によって歪む棒状部材と、その周囲に配置された複数のひずみゲージによって構成され、棒状部材の曲がりを検出することによって、その起因となっている被計測流体の流速等を検出しようとするものである。このセンサでは、ひずみゲージにより、棒状部材の歪みを正確、確実、かつ迅速に検出することができるので、被計測流体の流れの急激な変化も計測することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２７７８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のフローセンサは、それぞれ以下のような欠点を有していた。まず、熱線式のフローセンサにおいては、感度がそれほど良くない上に、風向を検出することができなかった。さらに、消費電力も大きいという欠点を有していた。また、可燃性ガスの流速検知において必要となる防爆性の確保が本質的に難しい。
【０００６】
また、風車式のフローセンサにおいては、風車の回転を受ける軸受部が必要であり、このような摺動部の存在でパーティクルの発生を避けることができない。したがって、ダストの発生が厳禁であるクリーンルーム等においては使用できないという欠点があった。また、超音波式のセンサでは、装置が大がかりなものとなってしまい、コスト的にも高いという欠点を有していた。
【０００７】
一方、前述したひずみゲージを用いたフローセンサにおいては、ひずみゲージの抵抗の変化及びひずみゲージの前記棒状部材への接着の劣化など、経時変化により長期の安定性を保つのが困難である。また、ひずみゲージを前記棒状部材へ直接接触させる必要があるため、電気的な配線部分を可動部から分離できず配線の取り回しが面倒であると共に、ひずみゲージや電気的な配線部分を被計測流体中に曝すことになり、被計測流体によっては耐久性にも問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、気体の風速等、流体の流速を計測するフローセンサであって、流れの向き及び微小流速の検知が可能であり、消費電力が小さく、耐久性にも優れ、かつ、ダストフリーなフローセンサを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面によるフローセンサは、被計測流体の流速によって変位する流体受部と、当該流体受部と共に変位する導電性部と、当該導電性部と対向する位置に固定され前記導電性部の変位を検出する変位検知部とを有することを特徴とする。従って、本発明によれば、流体受部の変位に伴う導電性部の渦電流の変化に基づいて、流体受部の変位、即ち被計測流体の流速が検知されるので、微流速の検知が可能であると共に、流れの向きも検知することができる。
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面によるフローセンサは、流体の流速を計測するフローセンサであって、前記流体の流れを受けて変位する流体受部と、前記流体受部と共に変位する導電性を有する導電性部と、前記流体受部を支持する支持部と、前記導電性部と対向する位置に固定され前記導電性部の変位を検知する変位検知部とを有することを特徴とする。
【００１１】
更に、上記の発明において、その好ましい態様は、前記流体受部と前記導電性部が、金属板により一体化されて構成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の発明において、別の態様は、前記導電性部が、前記流体受部に備えられた金属箔あるいは金属板であることを特徴とする。
【００１３】
更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記流体受部の変位が、前記流体受部自体の撓みによって起こることを特徴とする。
【００１４】
更にまた、上記の発明において、別の態様は、前記流体受部の変位が、前記支持部の有する弾性構造の伸縮によって起こることを特徴とする。
【００１５】
更に、上記の発明において、別の態様は、前記支持部により、前記流体受部の一端が支持され、前記導電性部の位置が、前記流体受部における前記流体の流れを受ける位置よりも、当該支持された一端から遠い位置にあることを特徴とする。これにより、計測感度を高めることができる。
【００１６】
更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記変位検知部が、コイルで構成されることを特徴とする。
【００１７】
また、上記の発明において、好ましい態様は、更に、前記コイルを含む所定の回路に所定の高周波信号を印加することによって検出される、前記導電性部の変位と温度に基づく検出信号と、当該印加した高周波信号に基づいて、前記検出信号を、前記導電性部の変位に基づく成分と前記導電性部の温度に基づく成分に分離する分離部を有することを特徴とする。
【００１８】
更に、上記の発明において、別の態様は、前記変位検知部が、コンデンサで構成されることを特徴とする。
【００１９】
更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記変位検知部が固定される位置が、前記流体に接触しない位置であることを特徴とする。これにより、コイル等で構成される変位検知部及び電子回路部分が被計測流体中にないため、耐久性にも優れている。
【００２０】
本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。
【００２２】
図１は、本発明を適用したフローセンサの第一の実施の形態例に係る構成図である。図１には、本発明の主な特徴を含む風速の検知部分を示しており、検知後の処理回路については、図３に示す。また、図１の（ａ）は、被計測気体の流れの方向と垂直な方向から見た断面図を、図１の（ｂ）は、被計測気体の流れの方向から見た正面図を表している。
【００２３】
図１に示すように、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１は、受風板（流体受部）２、導電性部３、受風板支持部４、コイル（変位検知部）５、及びコイル固定部６等から構成されている。本フローセンサ１は、図に示すように、被計測気体１０が流れる配管９内に挿入されるように設置され、センシング窓７を通ってフローセンサ１内に流入した被計測気体１０の流れにより受風板２が変位することを、コイル５によって検知し、被計測気体１０の風速を計測しようとするものである。
【００２４】
本フローセンサ１の受風板（流体受部）２は、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、厚さの薄い長方形の板であり、その一端（図１の場合には上端）が受風板支持部４で固定されている。また、当該受風板２は、金属、樹脂など弾性を有する材料で構成される。
【００２５】
次に、導電性部３は、上記受風板２の両側の表面に備えられた金属箔あるいは金属板であり、被計測気体１０の流れにより受風板２と共に変位する。かかる導電性部３には、後述するコイル５による磁場によって渦電流が発生し、被計測気体１０の風速による変位を電気的に検知可能とする。なお、導電性部３は、金属箔でなくても、導電性がある材料で構成されればよく、例えば、前記受風板２が金属板である場合には、導電性部３をさらに付加する必要はなく、当該金属板が、受風板２と導電性部３の両方を兼ね備えたものとなる。
【００２６】
次に、受風板支持部４は、前述した受風板２の一端を支持する部分であり、後述するコイル固定部６を介して、受風板２の一端を被計測気体１０が流れる配管９に固定する。
【００２７】
コイル（変位検知部）５は、前記導電性部３の変位を電気信号に変換する部分であり、図１に示すように、前記導電性部３に対向する位置の、後述するコイル固定部６の外側（被計測気体１０の流れ方向の前後）に取り付けられる。かかるコイル５には、配線８を介して後述する発振器２１から高周波信号が印加され、前記導電性部３の変位によるインピーダンスの変化に基づいて、導電性部３の変位、即ち被計測気体１０の風速が検知される。
【００２８】
また、コイル固定部６は、本フローセンサ１の外壁に当たる部分であり、図１に示すように、前記受風板２及び導電性部３を包囲し、被計測気体１０の配管９に固定して設置される。これにより、当該コイル固定部６に取り付けられる前記コイル５は配管９に対して固定されることになり、従って、受風板２が変位していない時、即ち被計測気体１０の風速がない時には、導電性部３とコイル５は一定の距離を保つことになる。
【００２９】
また、配管９の外部に位置するコイル固定部６は、四方向が壁に覆われた密閉構造となっており（側壁は図示せず）、配管９内の被計測気体１０が外部に漏れることはない。従って、当該コイル固定部６の外側に取り付けられる前記コイル５は、被計測気体１０に触れることがない。このように、コイル固定部６は、導電性部３とコイル５の距離を保つ機能と、センサの電子回路部分を被計測気体１０から隔離する機能を有している。
【００３０】
さらに、コイル固定部６の下方には、図１に示すように、センシング窓７が設けられており、この開口部から被計測気体１０が流れ込み、受風板２を変位させる。
【００３１】
次に、本フローセンサ１による風速計測の原理について説明する。図２は、風速計測の原理を説明するための図である。図２には、受風板２とコイル５の位置関係を模式的に表しており、図２の（ａ）は、受風板２が変位していない状態、即ち被計測気体１０の風速がゼロの状態を、図２の（ｂ）は、被計測気体１０の流れにより受風板２が変位している状態を示している。
【００３２】
図１に基づいて説明したように、本フローセンサ１において、コイル５は、導電性部３と一定の距離をおいて配置されており、このコイル５と導電性部３は、いわゆる相互誘導結合回路を形成している。そして、かかる回路においては、そのインピーダンスは、コイル５及び導電性部３の抵抗及びインダクタンスや両者間の距離によって決定されることが知られている。
【００３３】
従って、図２の（ａ）に示す場合と、（ｂ）に示す場合では、コイル５と受風板２（即ち導電性部３）との距離（図２のＬ１とＬ２）が異なるため、上記インピーダンスも異なるものとなる。よって、受風板２の変位がインピーダンスの変化をもたらすこととなり、当該受風板２の変位の基となる被計測気体１０の風速を、前記インピーダンスの変化に基づく電気信号の変化により検出することが可能となる。
【００３４】
次に、本フローセンサ１のコイル５以降の処理回路部分について説明する。図３は、当該処理回路部分の構成等を示した図である。図３の（ａ）は、当該処理回路部分の構成図であり、図３の（ｂ）は、後述する分離検出を説明するための図である。
【００３５】
図３の（ａ）に示すように、当該処理回路部分は、電源部１１、検出部２０、及び分離部３０で構成されている。電源部１１は、検出部２０及び分離部３０の必要箇所に電源を供給する部分である。また、検出部２０は、コイル５部分における前記インピーダンスの変化に伴う電気信号を検出する部分である。
【００３６】
なお、前述したコイル５と導電性部３によるインピーダンスは、前述したとおり受風板２の変位、即ち被計測気体１０の風速によって変化すると共に、受風板２（導電性部３）の温度によっても変化することが知られている。従って、上記検出部２０で検出されたインピーダンスの変化に伴う電気信号には、風速に起因するもの（風速成分）と受風板２（導電性部３）の温度に起因するもの（温度成分）の両方が含まれており、風速を計測するためには、これらを分離する必要がある。
【００３７】
図３の（ａ）に示す分離部３０は、かかる風速成分と温度成分を分離して検出する部分である。以下、検出部２０及び分離部３０で行われる処理の内容について順次説明する。
【００３８】
まず、発振器２１から、図１に示した二つのコイル５と二つの抵抗Ｒから成るブリッジ回路に対して、高周波信号を印加する。次に、図３の（ａ）に示すように、ブリッジ回路からの出力が差動アンプ２２に入力される。なお、差動アンプ２２は、被計測気体１０の風速がゼロで、受風板２（導電性部３）が基準温度である場合に、出力が最小になるように調整されている。
【００３９】
次に、図３の（ａ）に示すように、当該差動アンプ２２の出力と発振器２１からの出力が分離部３０に入力され、まず、差動アンプ２２の出力の、発振器２１からの出力波形と同相な成分（Ｘ成分）と例えば９０°異なる異相な成分（Ｙ成分）が取り出される。具体的には、乗算器３２ａとローパスフィルタ３３ａにより、上記Ｘ成分が取り出され、９０°位相器３１、乗算器３２ｂ、及びローパスフィルタ３３ｂにより、Ｙ成分が取り出される。これにより、検出信号の大きさと位相が検出される。
【００４０】
取り出された上記Ｘ成分及びＹ成分は、次に、分離検出回路３４に入力され、ここで、検出された電気信号、即ち差動アンプ２２からの出力が、前記風速成分と温度成分に分離して検出される。かかる分離検出の処理原理を、図３の（ｂ）に示す図に基づいて説明する。
【００４１】
分離検出回路３４に入力された前記Ｘ成分及びＹ成分は、Ｘ成分−Ｙ成分からなる二次元平面上にプロットされ、差動アンプ２２からの出力は、例えば、図３の（ｂ）に示す検出値イのように表される。
【００４２】
一般に、結合回路の１次回路と２次回路間の距離の変化によるインピーダンスの変化と、温度によるインピーダンスの変化は、それらの変化の方向が異なることから、分離することが可能であることが知られている（社団法人日本非破壊検査協会編集「渦流探傷試験ＩＩＩ」社団法人日本非破壊検査協会発行、平成２年９月１日、Ｐ．４３−４４参照）かかる理論に基づけば、本フローセンサ１において、上記１次回路と２次回路間の距離の変化、即ち受風板２の変位（風速）にのみ起因する差動アンプ２２の出力の前記Ｘ−Ｙ平面上での方向（図３の（ｂ）に示す風速成分軸Ａの方向）と、温度にのみ起因する差動アンプ２２の出力の前記Ｘ−Ｙ平面上での方向（図３の（ｂ）に示す温度成分軸Ｂの方向）が異なることになる。
【００４３】
そして、これらの方向は、各フローセンサ１の仕様に基づいて、予め決定することが可能である。従って、図３の（ｂ）に示した例では、風速成分軸Ａと温度成分軸Ｂは、予め定められたものである。
【００４４】
分離検出回路３４は、前述したＸ−Ｙ平面上にプロットされた検出値イから、上記風速成分軸Ａ方向の成分（図３の（ｂ）に示す風速成分ロ）と、上記温度成分軸Ｂ方向の成分（図３の（ｂ）に示す温度成分ハ）をそれぞれ求め、求めた風速成分ロと温度成分ハを出力する。
【００４５】
これにより、前述した風速成分と温度成分の分離検出が完了し、検出した風速成分から風速値が求められる。
【００４６】
以上説明したように、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１は、受風板２の変位を電気信号に変換して被計測気体１０の風速を計測するが、僅かな変位でもそれが電気信号に現れるため、微風の場合にも計測が可能であり、また、受風板２の変位方向が異なれば、検出される電気信号も異なるため、風向を検知することもできる。さらに、コイル５や電子回路部分が被計測気体１０の雰囲気中にないため、被計測気体１０による腐食などの問題もなく耐久性にも優れている。また、摺動部がないのでパーティクルの発生が防止でき、消費電力も小さい。さらにまた、前記分離部３０により、前記風速成分と温度成分の分離検出が可能であるため、温度による計測誤差を排除でき、正確な風速計測が可能となる。
【００４７】
次に、本発明を適用したフローセンサの第二の実施の形態例について説明する。図４は、第二の実施の形態例に係る構成図である。図４には、図１と同様に、風速の検知部分のみを示しており、被計測気体の流れの方向と垂直な方向から見た断面を表している。
【００４８】
図４に示すように、第二の実施の形態例に係るフローセンサ４１は、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１と受風板の変位のさせ方が異なるだけであり、他の部分は同様の構成と機能を有している。従って、以下、その相違点のみを説明する。
【００４９】
本フローセンサ４１では、図４に示すように、受風板支持部４４が受風板４２の上下に設けられ、それぞれが受風板４２を支持するバネ（弾性構造）４４１を有している。受風板４２は、その上部と下部において、前記バネ４４１に両面で取り付けられ、被計測気体４００の流れ方向（図４の矢印の方向）に変位可能に、設置される。
【００５０】
従って、コイル固定部４６のセンシング窓４７から被計測気体４００が流入し、受風板４２に当たると、その力で受風板４２が押され、バネ４４１の右側の部分が圧縮され、受風板４２が右側へ変位する。これにより、コイル４５と導電性部４３間の距離が変化し、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１の場合と同様に、当該変化を電気信号として取り出して、風速を計測することができる。
【００５１】
なお、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１では、被計測気体１０の風速がなくなると、受風板２は、受風板２自体の弾性により元の位置に戻るが、本フローセンサ４１においては、風速がなくなると、受風板４２は、バネ４４１の弾性力によって元の位置に戻る。従って、弾性のない材料を受風板４２として用いることもできる。なお、本実施の形態例においては、弾性構造としてバネを用いたが、バネに代えてゴムなどの他の弾性体を用いることもできる。
【００５２】
次に、本発明を適用したフローセンサの第三の実施の形態例について説明する。図５は、第三の実施の形態例に係るフローセンサの構成等を示す図である。図５の（ａ）は、被計測気体の流れの方向と垂直な方向から見た断面を示しており、図５の（ｂ）は、本形態例に係るフローセンサの効果を説明するための図を示している。
【００５３】
図５に示すように、第三の実施の形態例に係るフローセンサ５１は、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１と受風板の変位のさせ方が異なるだけであり、他の部分は同様の構成と機能を有している。従って、以下、その相違点のみを説明する。
【００５４】
本フローセンサ５１では、図５に示すように、受風板支持部５４が受風板５２の下部に設けられ、受風板５２は、その下端で支持、固定されている。そして、受風板５２が、受風板支持部５４と導電性部５３の間の位置で、被計測気体５００の流れを受けるように、センシング窓５７が設けられている。
【００５５】
このような構成を有する本フローセンサ５１では、受風板５２が被計測気体５００の流れを受けた際には、図５の（ｂ）に示すように変位をする。従って、導電性部５３の位置（変位検知位置）での変位（図５の（ｂ）におけるＬ４）は、受風板５２が受風した位置（受風位置）での変位（図５の（ｂ）におけるＬ３）よりも大きくなる。このように、本フローセンサ５１では、検知する変位が増幅されるので、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１の場合よりも、計測の感度を高めることができる。
【００５６】
次に、本発明を適用したフローセンサの第四の実施の形態例について説明する。図６は、第四の実施の形態例に係るフローセンサの原理を説明するための図である。第四の実施の形態例に係るフローセンサ６１は、前述した第一から第三の実施の形態例にかかるフローセンサ（１、４１、５１）の変位検知部であるコイル（５、４５、５５）をコンデンサ６５に換えたものである。
【００５７】
図６に示すように、コンデンサ６５の周囲には電場６００が形成されるが、その電場６００内に導電性部６３があると、その存在により電場６００は影響を受ける。ここで、受風板（２、４２、５２）が受風して変位すると、それに取り付けられた導電性部６３も図６の矢印の方向に変位し、それにより電場６００も変化することになる。そして、この電場６００の変化により、コンデンサ６５の静電容量が変化する。従って、コンデンサ６５の静電容量の変化を検出することにより、導電性部６３の変位、即ち風速を検出することができる。
【００５８】
本実施の形態例に係るフローセンサ６１では、このようにコイルの換わりにコンデンサ６５を用いるため、温度の影響を受けず、従って、第一の実施の形態例において説明したような、温度成分を分離する処理を行う必要はない。
【００５９】
以上説明した第一から第四の実施の形態例に係るフローセンサにおいては、二つの導電性部とそれに対応する二つの変位検知部（コイル又はコンデンサ）を有していたが、一つの導電性部とそれに対応する一つの変位検知部で構成するようにしてもよい。
【００６０】
なお、上記の実施の形態例では、気体の風速を計測するフローセンサについて例示したが、本発明を気体の風速計測に限定するものではなく、本発明は、水などの液体の流速、流れる砂などの固体の流速、あるいは固気二相流の流速など、気体以外の流体の流速計測にも応用することが可能である。
【００６１】
本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００６２】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、流体受部の変位を電気信号に変換して流速を計測するので、微流の場合にも計測が可能であり、流れの向きを検知することもできる。さらに、本発明によるフローセンサは、コイルや電子回路部分が被計測流体中にないため、被計測流体による腐食などの問題もなく耐久性にも優れている。また、摺動部がないのでパーティクルの発生が防止でき、消費電力も小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したフローセンサの第一の実施の形態例に係る構成図である。
【図２】本フローセンサ１による風速計測の原理を説明するための図である。
【図３】本フローセンサ１のコイル５以降の処理回路部分の構成等を示した図である。
【図４】本発明を適用したフローセンサの第二の実施の形態例に係る構成図である。
【図５】第三の実施の形態例に係るフローセンサの構成等を示す図である。
【図６】第四の実施の形態例に係るフローセンサの原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１ フローセンサ
２ 受風板（流体受部）
３ 導電性部
４ 受風板支持部
５ コイル（変位検知部）
６ コイル固定部
７ センシング窓
８ 配線
９ 配管
１０ 被計測気体
１１ 電源部
２０ 検出部
２１ 発振器
２２ 差動アンプ
３０ 分離部
３１ ９０°位相器
３２ａ、３２ｂ 乗算器
３３ａ、３３ｂ ローパスフィルタ
３４ 分離検出回路
４１ フローセンサ
４２ 受風板
４３ 導電性部
４４ 受風板支持部
４５ コイル
４６ コイル固定部
４７ センシング窓
４９ 配管
５１ フローセンサ
５２ 受風板
５３ 導電性部
５４ 受風板支持部
５５ コイル
５６ コイル固定部
５７ センシング窓
５９ 配管
６１ フローセンサ
６３ 導電性部
６５ コンデンサ
４００ 被計測気体
４４１ バネ（弾性構造）
５００ 被計測気体
６００ 電場
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の風速等、流体の流速を計測するフローセンサに関し、特に、流れの向き及び微小流速の検知が可能であり、耐久性にも優れたフローセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、気体の風速を計測するフローセンサとして、熱線式、風車式、あるいは超音波式等のセンサが広く用いられていた。
【０００３】
また、風向を検出できると共に、急激な流体の流れの変化を検出できる、ひずみゲージを用いたフローセンサが、特開平７−２７７８１号公報に開示されている。かかるセンサは、被計測流体の流れる力によって歪む棒状部材と、その周囲に配置された複数のひずみゲージによって構成され、棒状部材の曲がりを検出することによって、その起因となっている被計測流体の流速等を検出しようとするものである。このセンサでは、ひずみゲージにより、棒状部材の歪みを正確、確実、かつ迅速に検出することができるので、被計測流体の流れの急激な変化も計測することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２７７８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のフローセンサは、それぞれ以下のような欠点を有していた。まず、熱線式のフローセンサにおいては、感度がそれほど良くない上に、風向を検出することができなかった。さらに、消費電力も大きいという欠点を有していた。また、可燃性ガスの流速検知において必要となる防爆性の確保が本質的に難しい。
【０００６】
また、風車式のフローセンサにおいては、風車の回転を受ける軸受部が必要であり、このような摺動部の存在でパーティクルの発生を避けることができない。したがって、ダストの発生が厳禁であるクリーンルーム等においては使用できないという欠点があった。また、超音波式のセンサでは、装置が大がかりなものとなってしまい、コスト的にも高いという欠点を有していた。
【０００７】
一方、前述したひずみゲージを用いたフローセンサにおいては、ひずみゲージの抵抗の変化及びひずみゲージの前記棒状部材への接着の劣化など、経時変化により長期の安定性を保つのが困難である。また、ひずみゲージを前記棒状部材へ直接接触させる必要があるため、電気的な配線部分を可動部から分離できず配線の取り回しが面倒であると共に、ひずみゲージや電気的な配線部分を被計測流体中に曝すことになり、被計測流体によっては耐久性にも問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、気体の風速等、流体の流速を計測するフローセンサであって、流れの向き及び微小流速の検知が可能であり、消費電力が小さく、耐久性にも優れ、かつ、ダストフリーなフローセンサを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面によるフローセンサは、被計測流体の流速によって変位する流体受部と、当該流体受部と共に変位する導電性部と、当該導電性部と対向する位置に固定され前記導電性部の変位を検出する変位検知部とを有することを特徴とする。従って、本発明によれば、流体受部の変位に伴う導電性部の渦電流の変化に基づいて、流体受部の変位、即ち被計測流体の流速が検知されるので、微流速の検知が可能であると共に、流れの向きも検知することができる。
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の別の側面によるフローセンサは、流体の流速を計測するフローセンサであって、前記流体の流れを受けて変位する流体受部と、前記流体受部と共に変位する導電性を有する導電性部と、前記流体受部を支持する支持部と、前記導電性部と対向する位置に固定され前記導電性部の変位を検知する変位検知部とを有することを特徴とする。
【００１１】
更に、上記の発明において、その好ましい態様は、前記流体受部と前記導電性部が、金属板により一体化されて構成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、上記の発明において、別の態様は、前記導電性部が、前記流体受部に備えられた金属箔あるいは金属板であることを特徴とする。
【００１３】
更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記流体受部の変位が、前記流体受部自体の撓みによって起こることを特徴とする。
【００１４】
更にまた、上記の発明において、別の態様は、前記流体受部の変位が、前記支持部の有する弾性構造の伸縮によって起こることを特徴とする。
【００１５】
更に、上記の発明において、別の態様は、前記支持部により、前記流体受部の一端が支持され、前記導電性部の位置が、前記流体受部における前記流体の流れを受ける位置よりも、当該支持された一端から遠い位置にあることを特徴とする。これにより、計測感度を高めることができる。
【００１６】
更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記変位検知部が、コイルで構成されることを特徴とする。
【００１７】
また、上記の発明において、好ましい態様は、更に、前記コイルを含む所定の回路に所定の高周波信号を印加することによって検出される、前記導電性部の変位と温度に基づく検出信号と、当該印加した高周波信号に基づいて、前記検出信号を、前記導電性部の変位に基づく成分と前記導電性部の温度に基づく成分に分離する分離部を有することを特徴とする。
【００１８】
更に、上記の発明において、別の態様は、前記変位検知部が、コンデンサで構成されることを特徴とする。
【００１９】
更に、上記の発明において、好ましい態様は、前記変位検知部が固定される位置が、前記流体に接触しない位置であることを特徴とする。これにより、コイル等で構成される変位検知部及び電子回路部分が被計測流体中にないため、耐久性にも優れている。
【００２０】
本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。
【００２２】
図１は、本発明を適用したフローセンサの第一の実施の形態例に係る構成図である。図１には、本発明の主な特徴を含む風速の検知部分を示しており、検知後の処理回路については、図３に示す。また、図１の（ａ）は、被計測気体の流れの方向と垂直な方向から見た断面図を、図１の（ｂ）は、被計測気体の流れの方向から見た正面図を表している。
【００２３】
図１に示すように、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１は、受風板（流体受部）２、導電性部３、受風板支持部４、コイル（変位検知部）５、及びコイル固定部６等から構成されている。本フローセンサ１は、図に示すように、被計測気体１０が流れる配管９内に挿入されるように設置され、センシング窓７を通ってフローセンサ１内に流入した被計測気体１０の流れにより受風板２が変位することを、コイル５によって検知し、被計測気体１０の風速を計測しようとするものである。
【００２４】
本フローセンサ１の受風板（流体受部）２は、図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、厚さの薄い長方形の板であり、その一端（図１の場合には上端）が受風板支持部４で固定されている。また、当該受風板２は、金属、樹脂など弾性を有する材料で構成される。
【００２５】
次に、導電性部３は、上記受風板２の両側の表面に備えられた金属箔あるいは金属板であり、被計測気体１０の流れにより受風板２と共に変位する。かかる導電性部３には、後述するコイル５による磁場によって渦電流が発生し、被計測気体１０の風速による変位を電気的に検知可能とする。なお、導電性部３は、金属箔でなくても、導電性がある材料で構成されればよく、例えば、前記受風板２が金属板である場合には、導電性部３をさらに付加する必要はなく、当該金属板が、受風板２と導電性部３の両方を兼ね備えたものとなる。
【００２６】
次に、受風板支持部４は、前述した受風板２の一端を支持する部分であり、後述するコイル固定部６を介して、受風板２の一端を被計測気体１０が流れる配管９に固定する。
【００２７】
コイル（変位検知部）５は、前記導電性部３の変位を電気信号に変換する部分であり、図１に示すように、前記導電性部３に対向する位置の、後述するコイル固定部６の外側（被計測気体１０の流れ方向の前後）に取り付けられる。かかるコイル５には、配線８を介して後述する発振器２１から高周波信号が印加され、前記導電性部３の変位によるインピーダンスの変化に基づいて、導電性部３の変位、即ち被計測気体１０の風速が検知される。
【００２８】
また、コイル固定部６は、本フローセンサ１の外壁に当たる部分であり、図１に示すように、前記受風板２及び導電性部３を包囲し、被計測気体１０の配管９に固定して設置される。これにより、当該コイル固定部６に取り付けられる前記コイル５は配管９に対して固定されることになり、従って、受風板２が変位していない時、即ち被計測気体１０の風速がない時には、導電性部３とコイル５は一定の距離を保つことになる。
【００２９】
また、配管９の外部に位置するコイル固定部６は、四方向が壁に覆われた密閉構造となっており（側壁は図示せず）、配管９内の被計測気体１０が外部に漏れることはない。従って、当該コイル固定部６の外側に取り付けられる前記コイル５は、被計測気体１０に触れることがない。このように、コイル固定部６は、導電性部３とコイル５の距離を保つ機能と、センサの電子回路部分を被計測気体１０から隔離する機能を有している。
【００３０】
さらに、コイル固定部６の下方には、図１に示すように、センシング窓７が設けられており、この開口部から被計測気体１０が流れ込み、受風板２を変位させる。
【００３１】
次に、本フローセンサ１による風速計測の原理について説明する。図２は、風速計測の原理を説明するための図である。図２には、受風板２とコイル５の位置関係を模式的に表しており、図２の（ａ）は、受風板２が変位していない状態、即ち被計測気体１０の風速がゼロの状態を、図２の（ｂ）は、被計測気体１０の流れにより受風板２が変位している状態を示している。
【００３２】
図１に基づいて説明したように、本フローセンサ１において、コイル５は、導電性部３と一定の距離をおいて配置されており、このコイル５と導電性部３は、いわゆる相互誘導結合回路を形成している。そして、かかる回路においては、そのインピーダンスは、コイル５及び導電性部３の抵抗及びインダクタンスや両者間の距離によって決定されることが知られている。
【００３３】
従って、図２の（ａ）に示す場合と、（ｂ）に示す場合では、コイル５と受風板２（即ち導電性部３）との距離（図２のＬ１とＬ２）が異なるため、上記インピーダンスも異なるものとなる。よって、受風板２の変位がインピーダンスの変化をもたらすこととなり、当該受風板２の変位の基となる被計測気体１０の風速を、前記インピーダンスの変化に基づく電気信号の変化により検出することが可能となる。
【００３４】
次に、本フローセンサ１のコイル５以降の処理回路部分について説明する。図３は、当該処理回路部分の構成等を示した図である。図３の（ａ）は、当該処理回路部分の構成図であり、図３の（ｂ）は、後述する分離検出を説明するための図である。
【００３５】
図３の（ａ）に示すように、当該処理回路部分は、電源部１１、検出部２０、及び分離部３０で構成されている。電源部１１は、検出部２０及び分離部３０の必要箇所に電源を供給する部分である。また、検出部２０は、コイル５部分における前記インピーダンスの変化に伴う電気信号を検出する部分である。
【００３６】
なお、前述したコイル５と導電性部３によるインピーダンスは、前述したとおり受風板２の変位、即ち被計測気体１０の風速によって変化すると共に、受風板２（導電性部３）の温度によっても変化することが知られている。従って、上記検出部２０で検出されたインピーダンスの変化に伴う電気信号には、風速に起因するもの（風速成分）と受風板２（導電性部３）の温度に起因するもの（温度成分）の両方が含まれており、風速を計測するためには、これらを分離する必要がある。
【００３７】
図３の（ａ）に示す分離部３０は、かかる風速成分と温度成分を分離して検出する部分である。以下、検出部２０及び分離部３０で行われる処理の内容について順次説明する。
【００３８】
まず、発振器２１から、図１に示した二つのコイル５と二つの抵抗Ｒから成るブリッジ回路に対して、高周波信号を印加する。次に、図３の（ａ）に示すように、ブリッジ回路からの出力が差動アンプ２２に入力される。なお、差動アンプ２２は、被計測気体１０の風速がゼロで、受風板２（導電性部３）が基準温度である場合に、出力が最小になるように調整されている。
【００３９】
次に、図３の（ａ）に示すように、当該差動アンプ２２の出力と発振器２１からの出力が分離部３０に入力され、まず、差動アンプ２２の出力の、発振器２１からの出力波形と同相な成分（Ｘ成分）と例えば９０°異なる異相な成分（Ｙ成分）が取り出される。具体的には、乗算器３２ａとローパスフィルタ３３ａにより、上記Ｘ成分が取り出され、９０°位相器３１、乗算器３２ｂ、及びローパスフィルタ３３ｂにより、Ｙ成分が取り出される。これにより、検出信号の大きさと位相が検出される。
【００４０】
取り出された上記Ｘ成分及びＹ成分は、次に、分離検出回路３４に入力され、ここで、検出された電気信号、即ち差動アンプ２２からの出力が、前記風速成分と温度成分に分離して検出される。かかる分離検出の処理原理を、図３の（ｂ）に示す図に基づいて説明する。
【００４１】
分離検出回路３４に入力された前記Ｘ成分及びＹ成分は、Ｘ成分−Ｙ成分からなる二次元平面上にプロットされ、差動アンプ２２からの出力は、例えば、図３の（ｂ）に示す検出値イのように表される。
【００４２】
一般に、結合回路の１次回路と２次回路間の距離の変化によるインピーダンスの変化と、温度によるインピーダンスの変化は、それらの変化の方向が異なることから、分離することが可能であることが知られている（社団法人日本非破壊検査協会編集「渦流探傷試験ＩＩＩ」社団法人日本非破壊検査協会発行、平成２年９月１日、Ｐ．４３−４４参照）かかる理論に基づけば、本フローセンサ１において、上記１次回路と２次回路間の距離の変化、即ち受風板２の変位（風速）にのみ起因する差動アンプ２２の出力の前記Ｘ−Ｙ平面上での方向（図３の（ｂ）に示す風速成分軸Ａの方向）と、温度にのみ起因する差動アンプ２２の出力の前記Ｘ−Ｙ平面上での方向（図３の（ｂ）に示す温度成分軸Ｂの方向）が異なることになる。
【００４３】
そして、これらの方向は、各フローセンサ１の仕様に基づいて、予め決定することが可能である。従って、図３の（ｂ）に示した例では、風速成分軸Ａと温度成分軸Ｂは、予め定められたものである。
【００４４】
分離検出回路３４は、前述したＸ−Ｙ平面上にプロットされた検出値イから、上記風速成分軸Ａ方向の成分（図３の（ｂ）に示す風速成分ロ）と、上記温度成分軸Ｂ方向の成分（図３の（ｂ）に示す温度成分ハ）をそれぞれ求め、求めた風速成分ロと温度成分ハを出力する。
【００４５】
これにより、前述した風速成分と温度成分の分離検出が完了し、検出した風速成分から風速値が求められる。
【００４６】
以上説明したように、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１は、受風板２の変位を電気信号に変換して被計測気体１０の風速を計測するが、僅かな変位でもそれが電気信号に現れるため、微風の場合にも計測が可能であり、また、受風板２の変位方向が異なれば、検出される電気信号も異なるため、風向を検知することもできる。さらに、コイル５や電子回路部分が被計測気体１０の雰囲気中にないため、被計測気体１０による腐食などの問題もなく耐久性にも優れている。また、摺動部がないのでパーティクルの発生が防止でき、消費電力も小さい。さらにまた、前記分離部３０により、前記風速成分と温度成分の分離検出が可能であるため、温度による計測誤差を排除でき、正確な風速計測が可能となる。
【００４７】
次に、本発明を適用したフローセンサの第二の実施の形態例について説明する。図４は、第二の実施の形態例に係る構成図である。図４には、図１と同様に、風速の検知部分のみを示しており、被計測気体の流れの方向と垂直な方向から見た断面を表している。
【００４８】
図４に示すように、第二の実施の形態例に係るフローセンサ４１は、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１と受風板の変位のさせ方が異なるだけであり、他の部分は同様の構成と機能を有している。従って、以下、その相違点のみを説明する。
【００４９】
本フローセンサ４１では、図４に示すように、受風板支持部４４が受風板４２の上下に設けられ、それぞれが受風板４２を支持するバネ（弾性構造）４４１を有している。受風板４２は、その上部と下部において、前記バネ４４１に両面で取り付けられ、被計測気体４００の流れ方向（図４の矢印の方向）に変位可能に、設置される。
【００５０】
従って、コイル固定部４６のセンシング窓４７から被計測気体４００が流入し、受風板４２に当たると、その力で受風板４２が押され、バネ４４１の右側の部分が圧縮され、受風板４２が右側へ変位する。これにより、コイル４５と導電性部４３間の距離が変化し、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１の場合と同様に、当該変化を電気信号として取り出して、風速を計測することができる。
【００５１】
なお、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１では、被計測気体１０の風速がなくなると、受風板２は、受風板２自体の弾性により元の位置に戻るが、本フローセンサ４１においては、風速がなくなると、受風板４２は、バネ４４１の弾性力によって元の位置に戻る。従って、弾性のない材料を受風板４２として用いることもできる。なお、本実施の形態例においては、弾性構造としてバネを用いたが、バネに代えてゴムなどの他の弾性体を用いることもできる。
【００５２】
次に、本発明を適用したフローセンサの第三の実施の形態例について説明する。図５は、第三の実施の形態例に係るフローセンサの構成等を示す図である。図５の（ａ）は、被計測気体の流れの方向と垂直な方向から見た断面を示しており、図５の（ｂ）は、本形態例に係るフローセンサの効果を説明するための図を示している。
【００５３】
図５に示すように、第三の実施の形態例に係るフローセンサ５１は、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１と受風板の変位のさせ方が異なるだけであり、他の部分は同様の構成と機能を有している。従って、以下、その相違点のみを説明する。
【００５４】
本フローセンサ５１では、図５に示すように、受風板支持部５４が受風板５２の下部に設けられ、受風板５２は、その下端で支持、固定されている。そして、受風板５２が、受風板支持部５４と導電性部５３の間の位置で、被計測気体５００の流れを受けるように、センシング窓５７が設けられている。
【００５５】
このような構成を有する本フローセンサ５１では、受風板５２が被計測気体５００の流れを受けた際には、図５の（ｂ）に示すように変位をする。従って、導電性部５３の位置（変位検知位置）での変位（図５の（ｂ）におけるＬ４）は、受風板５２が受風した位置（受風位置）での変位（図５の（ｂ）におけるＬ３）よりも大きくなる。このように、本フローセンサ５１では、検知する変位が増幅されるので、第一の実施の形態例に係るフローセンサ１の場合よりも、計測の感度を高めることができる。
【００５６】
次に、本発明を適用したフローセンサの第四の実施の形態例について説明する。図６は、第四の実施の形態例に係るフローセンサの原理を説明するための図である。第四の実施の形態例に係るフローセンサ６１は、前述した第一から第三の実施の形態例にかかるフローセンサ（１、４１、５１）の変位検知部であるコイル（５、４５、５５）をコンデンサ６５に換えたものである。
【００５７】
図６に示すように、コンデンサ６５の周囲には電場６００が形成されるが、その電場６００内に導電性部６３があると、その存在により電場６００は影響を受ける。ここで、受風板（２、４２、５２）が受風して変位すると、それに取り付けられた導電性部６３も図６の矢印の方向に変位し、それにより電場６００も変化することになる。そして、この電場６００の変化により、コンデンサ６５の静電容量が変化する。従って、コンデンサ６５の静電容量の変化を検出することにより、導電性部６３の変位、即ち風速を検出することができる。
【００５８】
本実施の形態例に係るフローセンサ６１では、このようにコイルの換わりにコンデンサ６５を用いるため、温度の影響を受けず、従って、第一の実施の形態例において説明したような、温度成分を分離する処理を行う必要はない。
【００５９】
以上説明した第一から第四の実施の形態例に係るフローセンサにおいては、二つの導電性部とそれに対応する二つの変位検知部（コイル又はコンデンサ）を有していたが、一つの導電性部とそれに対応する一つの変位検知部で構成するようにしてもよい。
【００６０】
なお、上記の実施の形態例では、気体の風速を計測するフローセンサについて例示したが、本発明を気体の風速計測に限定するものではなく、本発明は、水などの液体の流速、流れる砂などの固体の流速、あるいは固気二相流の流速など、気体以外の流体の流速計測にも応用することが可能である。
【００６１】
本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００６２】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、流体受部の変位を電気信号に変換して流速を計測するので、微流の場合にも計測が可能であり、流れの向きを検知することもできる。さらに、本発明によるフローセンサは、コイルや電子回路部分が被計測流体中にないため、被計測流体による腐食などの問題もなく耐久性にも優れている。また、摺動部がないのでパーティクルの発生が防止でき、消費電力も小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したフローセンサの第一の実施の形態例に係る構成図である。
【図２】本フローセンサ１による風速計測の原理を説明するための図である。
【図３】本フローセンサ１のコイル５以降の処理回路部分の構成等を示した図である。
【図４】本発明を適用したフローセンサの第二の実施の形態例に係る構成図である。
【図５】第三の実施の形態例に係るフローセンサの構成等を示す図である。
【図６】第四の実施の形態例に係るフローセンサの原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１ フローセンサ
２ 受風板（流体受部）
３ 導電性部
４ 受風板支持部
５ コイル（変位検知部）
６ コイル固定部
７ センシング窓
８ 配線
９ 配管
１０ 被計測気体
１１ 電源部
２０ 検出部
２１ 発振器
２２ 差動アンプ
３０ 分離部
３１ ９０°位相器
３２ａ、３２ｂ 乗算器
３３ａ、３３ｂ ローパスフィルタ
３４ 分離検出回路
４１ フローセンサ
４２ 受風板
４３ 導電性部
４４ 受風板支持部
４５ コイル
４６ コイル固定部
４７ センシング窓
４９ 配管
５１ フローセンサ
５２ 受風板
５３ 導電性部
５４ 受風板支持部
５５ コイル
５６ コイル固定部
５７ センシング窓
５９ 配管
６１ フローセンサ
６３ 導電性部
６５ コンデンサ
４００ 被計測気体
４４１ バネ（弾性構造）
５００ 被計測気体
６００ 電場
Claims (10)
- 流体の流速を計測するフローセンサであって、
前記流体の流れを受けて変位する流体受部と、
前記流体受部と共に変位する導電性を有する導電性部と、
前記流体受部を支持する支持部と、
前記導電性部と対向する位置に固定され、前記導電性部の変位を検知する変位検知部とを有する
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項１において、
前記流体受部と前記導電性部が、金属板により一体化されて構成されている
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項１において、
前記導電性部が、前記流体受部に備えられた金属箔あるいは金属板である
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、
前記流体受部の変位が、前記流体受部自体の撓みによって起こる
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、
前記流体受部の変位が、前記支持部の有する弾性構造の伸縮によって起こる
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項１乃至請求項４のいずれかにおいて、
前記支持部により、前記流体受部の一端が支持され、
前記導電性部の位置が、前記流体受部における前記流体の流れを受ける位置よりも、当該支持された一端から遠い位置にある
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項１乃至請求項６のいずれかにおいて、
前記変位検知部が、コイルで構成される
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項７において、更に、
前記コイルを含む所定の回路に所定の高周波信号を印加することによって検出される、前記導電性部の変位と温度に基づく検出信号と、当該印加した高周波信号に基づいて、前記検出信号を、前記導電性部の変位に基づく成分と前記導電性部の温度に基づく成分に分離する分離部を有する
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項１乃至請求項６のいずれかにおいて、
前記変位検知部が、コンデンサで構成される
ことを特徴とするフローセンサ。 - 請求項１乃至請求項９のいずれかにおいて、
前記変位検知部が固定される位置が、前記流体に接触しない位置である
ことを特徴とするフローセンサ。
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