JP2010117353A - コリオリ型流量センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】非常に小径な管（流管）をもつ形式のものにも適用可能なコリオリ型流量センサシステムを提供することを課題とする。
【解決手段】流量センサシステムが管１を励起する手段と、管の少なくとも一点の動きを決定する光検出手段と、該光検出手段が管壁、該管壁に形成された層、あるいは該管壁に取り付けられた要素へ光ビームを投光する光源３と、管壁、該管壁に形成された層、あるいは管壁に取り付けられた要素で反射された後の光を感知する光感知面を備えた光センサ４とを有していて、光ビームを形成する手段が、コリオリ力に関連した管の動きの方向での光ビームの収束角を、励起力に関連する管の動きの方向での光ビームの収束角よりも小さくするように配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、媒体が流れる振動流管（以下、単に「管」ともいう）を有するコリオリ型流量センサシステムであって、流量センサシステムが管を励起する励起手段と、管の少なくとも一点での動きを検出する光検出手段とを有し、該光検出手段が上記管の管壁や該管壁に形成された層あるいは該管壁に取り付けられた要素へ光ビームを投光する光源と、上記管壁や管壁に形成された層あるいは管壁に取り付けられた要素からの反射光を検出する光感知面が形成された光センサとを有しているコリオリ型流量センサシステムに関する。

以下において、光ビームが管壁に対して投光あるいは管から反射という場合には、管壁に形成された層、管壁に取り付けられた要素への投光あるいはこれらからの反射の場合をも含むものである。

コリオリ型流量センサシステムは、媒体が流れる少なくとも一つの管を有している。この管は通常、励起振動を起こす。ここに重畳される一つの小さな追加的コリオリ動が流れによって生ずる。この動きの組み合わせは流量を決定すべく測定される。この目的のための流量センサシステムは、管の一点あるいは数点の位置での変位が時間の関数として測定する検出システムを有している。この検出システムは、誘導型、容量型あるいは光学的原理等、種々の原理にもとづくものとすることができる。光変位センサの分野には、いくつかの可能な形式がある。最も広く用いられている形式は「光透過型」である。この形式の変位センサをもつ検出システムは流量センサシステムのフレームに取り付けられたＵ字状のハウジングを有しており、該ハウジングのＵ字状の一方の脚部に光源（例えばＬＥＤ）が配され、他方の脚部には対向して配された変位センサとしてのフォトセル（例えばフォトトランジスタ）が配されている。管の一部あるいは管に取り付けられた突出部が、Ｕ字状の二つの脚部の間で動き、光源とフォトセルの間の光ビームの一部を遮り、この一部が管の動きに伴い変動する。この動きは上記フォトセルで発生する電気信号の変動量から算出される。かかる変位センサはＥＰ−Ａ１７１９９８２とＥＰ−Ａ１７１９９８３で開示されている。

ＥＰ−Ａ１７１９９８２ ＥＰ−Ａ１７１９９８３

光学的変位センサの他の形態としては、「光反射型」である。この形式の変位センサを有する流量センサシステムも、光源と変位センサとしてのフォトセルを有し、両方とも流量センサシステムのフレームに取り付けられる。ここで、光源から発せられた光ビームは管壁の部分あるいは該管壁に取り付けられた突出部を照射する。管側に設けられたフォトセルが反射ビームの光路の一部あるいは全部に位置するように配されていて、該フォトセルの光感知面での入光の強度あるいは位置を測定する。このような変位センサの基本原理はＥＰ−Ａ１７１９９８３そしてＰ．Ｅｎｏｋｓｓｏｎ氏等による論文、「コリオリ型質量流量測定装置のためのシリコン共鳴センサ構造」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、第６巻第２号、１９９７年６月）に開示されている。しかしながら、追加的手段なしでは、感度は正確なコリオリ型流量センサには不十分である。

本発明は、この感度を単独であるいは組み合わせによって大いに向上させる（光学）手段を提供することを目的としている。本発明によると、冒頭で述べた形式のコリオリ型流量センサシステムは、光ビームの形状づけのための手段が、コリオリ力に関連する管の動きの方向での光ビームの収束角を、励起力に関連する管の動きの方向での収束角よりも小さくするように配設されている。この構造によって、コリオリ力により生ずる管の小さな動きの検出における感度を高める。特に、変位センサは管の直動だけでなく、あるいは、専ら管の回転動を検出する。これは、明細書中で、なぜ「変位センサ」に多く言及しているかという理由である。

本発明の構成では、光ビームの形状づけのために、種々の手段が適用可能である。

例えば、直交方向で異なる発散をもつ光ビームを生ずる非点収差光源であり、「通常」の球面レンズとの組み合わせにより、異なる方向で異なる収束が得られる（多くのレーザは非点収差である）。

次に、光に、ビームの異なる位置において異なる位相遅れをもたらす位相板である。

さらには、レンズあるいはミラー、例えば、光ビームに対して角度をもって配された球面レンズであって、異なる方向で異なる焦点を生ずる、光源からの投光ビームに配された光学部材である。

好ましい形態によると、光学部材は、少なくとも一つの円柱状あるいは非球状の収光レンズを有している。

本発明の構成では、投光そして反射ビームの間の角度は０°と６０°の間とすることができる。

しかしながら、好ましい形態において、投光そして反射ビームの間の角度を０°とするならば、必要な空間を小さくすることができる。

さらに有利な形態は請求項に記載されている通りである。

本発明による光反射型変位（モーション）センサは、集光によって管上の投光ビームの光スポットの直径を非常に小さくできるので、ここでの開示範囲に含まれると考えられる、例えば、２００８年１月１３〜１７日（Ｔｕｃｓｏｎ，ＵＳＡ）のＭＥＭＳ会議で発行された、「高感度マイクロコリオリ質量流量計」というＪ．Ｈａｎｅｖｅｌｄ氏等の論文に開示されている、ＭＳＴ（Ｍｉｃｒｏ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によって作られた質量流量センサのような、非常に小さな管径（＜０．１ｍｍ）のコリオリ型流量センサに用いるのに、きわめて適している。この可能性は、適用可能性が光源とフォトセルの可能な大きさ（０．２ｍｍ以上）である光透過型変位センサでは得られない。しかし、本発明による、光反射型変位センサを使用することで、小管径に限度がなくなり、またこれは、公知の大型のコリオリ型流量センサシステム（管径が１ｍ）にも同様に適用可能である。

機能が以下に示される四つの追加レンズを有する、本発明による流量センサシステムの実施形態の概要構成図である。 部分光透過型のミラーと偏光が９０°まで回転可能な四分の一波長板の追加によって可能とされた直交した投光そして反射光ビームをもつ改善された形態を示す図である。 セグメントＡ，Ｂ，ＣそしてＤをもつ変位センサとしての四分割セルの光感知面とその上に投光された光スポットを伴う、円形そして正方形のセルの形態を示す図である。 位置検出装置の光感知面、その上に投光された光スポット、そして二つの軸上にプロットされた可能な電圧の典型的限界値を示す図である。 反射型変位センサの最も好ましい位置が図式に示された、コリオリ型流量計センサシステムの管の典型的形態を示す図である。 光スポットの動きの第一及び第二の方向についての四分割セルの二つの可能配置位置を示している。 清澄性（ｃｌａｒｉｔｙ）によって反射光ビームがミラーで反転状態となっている、二つの異なる収束値についての、ミラーに隣接する光スポットの形を示している。 光梃子の原理を示す図である。 最適化された四分割セル上の楕円光スポットの大きさを示す図である。 くびれ部分の直径から拡がる角度の回転の最適化の原理を示す図である。 変位センサに対する光ビームの部分反射にもとづく簡単な形態を示す図である。 投光ビームが管壁で集光されずに、焦点が反射光ビームの光路に位置している、本発明による流量センサシステムの概要を示す図である。

本発明のいくつかの実施形態を、添付図面での例にもとづき、以下、説明する。

本発明による流量センサシステムの一実施形態を示す図１では、断面で示されるコリオリ管１に鏡面を形成するミラー２が取り付けられている。センサシステムは、光源３と変位センサとしての光センサ４とを有している。さらに、Ｌ１とＬ４で示される投光ビームと反射光ビームの両方に対して二つのレンズが配されている。これらのレンズは、光ビームの形を決定し、本発明においては重要である。これらのレンズは、球面、円柱形あるいは非球面型である。レンズＬ１とレンズＬ４は、それぞれ、光源３と光センサ４に近接して配置されており、レンズＬ２とＬ３はミラー２に近接して配置されている。

これらの部材は、全体として、光ビーム５の光路をＶ字形としている。このＶ字形は、管１上のミラー２（の面）に対する垂直線に関して対称となっている。投光ビームはミラー２に対する垂直線６との入射角αを有しており、該入射角αは光源３と光センサ４とが一致した位置にないので、ゼロよりも大きくなければならない。反射角は、当然、入射角に等しい。反射角の変化はミラー２の変化角βの二倍となる。図１は管１の断面と平行な面にＶ字形の光路に位置している様子を示しているが、この原理は、Ｖ字形の光路が位置する面が管の断面に沿ってなく管の長手方向だったりそれらの中間であっても同様に効果をもたらす。

光源３は好ましくはレーザであるが、原理的にはＬＥＤ（一つもしくは各種の波長）も好適である。

ミラー２の面は、平坦面として示されているが、図１に示されるレンズの選択によっては、凹面あるいは凸面も適用可能である。これは、管壁それ自体あるいはその上に形成された層が十分なる反射特性を有している形態をも含んでいる。このミラー２の面は、光を反射する材料、例えば、ガラス、金属、合成樹脂で作ることができる。反射光が散光しないで反射するように、ミラー２の面ができるだけ滑らかとなっていることが、Ｖ字形反射光路のための条件である。

光センサ４は、該光センサの光感知面上の光スポットの位置を測定する形式のものである。この位置決定は、好ましい形態では、光センサ４の光感知面に、直角な二つの直交方向で光スポットの変位が互いに独立して検出されるように、二次元（２−Ｄ）でなされる。これらの方向は図１にて「ｔｒａ１」と「ｔｒａ２」で示されており、すなわち、Ｖ字状を含む面内の方向とこの面に直角な方向である。

管の三つの一次動（あるいはその混合）は２−Ｄセンサのような光センサ（図１参照）で測定できる。

−第一には、図１で管に近接して「ｔｒａ」で示される、ミラー２の面に直角な方向の直動である。これは、幾何学での函数（２×ｔｒａ×ｓｉｎα）にしたがって、第一の方向での光センサ上のスポットの変位「ｔｒａ」を角度αが小さくなると減小させるということである。

−図１で「ｒｏｔ１」で示される、管に対して直角な断面とミラーとの交線としての軸まわりの第一の回転角である。これは、第一の回転角の二倍に管１と光センサ４あるいはその前に配された平行レンズ（レンズＬ３）との間の距離を乗じた値に等しい第二方向での変位「ｔｒａ２」を光センサ上でのスポットに生ずる。

−管の長手方向の軸である軸線まわりでの、図１における「ｒｏｔ２」で示される第二の回転角である。これは、第二の回転角の二倍に管１と光センサ４あるいはその前に配された平行レンズ（レンズＬ３）との間の距離を乗じた値に等しい第一の方向における光センサ上のスポットに変位「ｔｒａ１」を生ずる。そこで、これが直動により生じた第一の方向の変位に加えられる。

かかる２−Ｄ光センサ４の二つの異なる形態が特に適用可能である。

−光センサとしてのセグメント化されたセルでは、光感知面が独立した複数のセグメントに別れていて、それぞれのセグメントが、その上で、光の量を測定する。二次元における測定は、互いに直交する二つの方向に延びる光感知面上の光スポットの位置を決定できるように形づけられた少なくとも三つのセグメントを必要とする。そのようなものの最も広く用いられている形式は、光感知面が四つの象限に分割されているクオードラントセルあるいはクオードセルと呼ばれる形式のものであり、各象限における投光スポットの部分が独立して測定される（図３）。以下、一つのクオードセルについて説明するが、その原理は三つの異なる形のセグメントのうちの最小のセルについても言えることである。一つのクオードセルの光感知面の典型的大きさは１×１ｍｍである。

−ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ、位置感知デバイス）は、二つの互いに直交する方向で光感知面（図４参照）のエッジに対する光スポットの中心位置を、独立して発生する二つの電流あるいは電圧により決定する。

光源３は管１に向け光ビームを発する。光源３近くに配された第一のレンズ（Ｌ１）は平行ビーム（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ ｂｅａｍ）を形成する。光ビームの直径は、しばしば、特にＭＳＴ（Ｍｉｃｒｏ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によって作られた小径管の場合には、管１の直径よりも大きいので、光ビームを管壁上で小さなスポットへ収束させる第二のレンズ（Ｌ２）を追加することも必要となる。この光スポットは、管壁、あるいは管壁に取り付けられた部材の平坦面や曲面上に形成されるようになっている。光スポットの大きさは、上記面（平坦面や曲面）に管の振幅を加えた大きさよりも小さくなくてはならず、その結果、いつも光ビーム全体が反射される。平坦面あるいは凸曲面での収束光ビームの反射は発散するので、収束される第三のレンズ（Ｌ３）の追加が必要となり、これは光ビームの直径が大きくなり過ぎないことを確実とする。この収束により、平行（ｃｏｌｌｉｍａｔｅｄ）ビームが得られ、あるいは、多かれ少なかれその効果を得る。第四のレンズ（Ｌ４）が、光ビームのさらなる収束のために光センサ４の直前位置に追加して配置されていてもよい。これは、光ビームの直径と、光センサの光感知面の直径との比に依存する。空間に十分な大きさが与えられているならば、光源や光センサを管に近づけて配することが可能である。もし、光源そして／あるいは光センサと管との距離が小さければ、状況によっては、一つから四つのファンクショナルなレンズが必要となる。しばしば、二つのファンクショナルなレンズの機能が組み合わせられたり、あるいは一つのファンクショナルなレンズが、例えば、非球面レンズを異なる焦点距離をもついくつかの円柱レンズに組み込むこととしたいくつかのファジカルレンズに副分割することである。

光学部材にもっと空間を要するような大きな角度αに設定することもできる。これは直動方向での感度を向上させるが、第一の回転角の感度を低下させ、その一方で、第二の回転角の感度をそのまま維持する。上述した向上した直動方向での感度は、温度や重力によっても変化し得るので、望まれることではない。１０度の理論角αが与えられると、管のこのような直動に対して完全に感度がなくなる。これが、小さな角度αそして回転角にもとづく測定が好ましいとする理由である。

改善手段１：部分透光型ミラーの追加
第一の改善手段が図２に示されており、ここでは、図１と共通部位に同一符号が付されており、入射角αが０度となる投光がなされないように部分光透過型ミラー７が追加されている。これは、変位センサが管の回転角（「ｒｏｔ１」，「ｒｏｔ２」）のみを感知し直動変位（「ｔｒａ」）に感知しないという効果をもたらす。動作原理は、他の点では、図１に図示の場合と同じである。部分光透過型ミラー７（しばしば、ビームスプリッタと称される）には、次の二つの形式がある。

−投光ビームの一部が透光し、他は偏光の如何に係らず反射する部分光透過型ミラー
−特定の偏光方向に反射しそしてこれに直角な方向で光を透過する偏光ビームスプリッタ
後者が、ＣＤに用いられ、９０°の間で偏光されたレーザ光ビーム（入射そして反射波）の偏光方向を回転する四分の一波長板８の追加を要求する形式である。

図２は、さらに、レンズＬ２とレンズＬ３の収束そして平行化機能が一つのレンズＬ２＝Ｌ３として得られることを示していて、ミラーの直上での空間の問題が同時に解決される。

図１と図２の場合の測定原理が管におけるコリオリ動の測定のために次のように用いられている。説明は、一つのクオードセルに基づいているが、ＰＳＤについても同様である。

図５は、矩形状の形に曲げられた管を示しているが、この原理は他の形（例えば、ＥＰ−Ａ１７１９９８２に示した種々の形）にも同じである。管は回転角「ｒｏｔ１」の回転主軸について励起される。ここでは、反射光の光センサの最適位置は、特に直動を幾分感知する図１の形態では、直動が最小となるので上記軸と管の交点である。励起運動は、光センサ上の反射スポットを第一の直動変位「ｔｒａ１」の方向で光感知面の上を移動させる（図６ａ）。このことは、セグメントＡ＋ＤそしてＢ＋Ｄ上の入光の量に変化をもたらす。したがって、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）の第一の差はその量の倍となる。差動測定である。

管内の流れは、回転角（ｒｏｔ１）の主軸に対し（部分的に）直交する管部でコリオリ力（Ｆ１，Ｆ２）を生ずる（図５参照）。これは第一軸に対して直交する第二軸まわりに第二の回転角（ｒｏｔ２）を生ずる（図５）。これによって、第一の方向に対して直交する第二の方向での直動変位「ｔｒａ２」で、反射スポットが移動する（図６ａ）。これは、セグメントＡ＋ＢとＣ＋Ｄ上で入光の量に変化をもたらす。（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）の第二の差は、その量の倍だけ変化する。第一の差の第二の差に対する比で管を流れる質量を測定する。

図６ｂは、別の形態として、クオードセルが光スポットの動きの第一そして第二の方向について４５°まで回転している例を示している。この場合、第一の動きの幅は差Ｂ−
Ｄからそして第二の動きの幅は差Ａ−Ｃからそれぞれ決定できる。これは、各方向について二つの部分のみを使用しているので図６ａの場合には若干好ましくないが、これでも作動する。また、原理上は、もし動きとクオードセルの方向の間の角度が知れているならば、図６ａと図６ｂとの間でのクオードセルのどの位置からも動きの方向を再構成することが可能である。

さらに改善された手段は、ミラーとクオードセルにおける光スポットの収束と形に関している。これらの手段なしでは、上述した第二の差は、実際には、１０００から１００００倍のオーダの第一の差よりも小さく、したがって、質量流量を決定するため基としては小さすぎる。

関連する測定の説明に先立ち、次の三つの光学上のコンセプトについて説明しておくことが望まれる。

基本コンセプト１：収束−発散−くびれ
図１におけるミラー２に向けたレンズＬ２の下流側の光ビームの収束は、反射後、発散する。図７では、二つの異なる光ビームが示されている。反射光ビームは、清澄性のために、ミラーで反対となっている。ビームＢ１はビームＢ２よりも少さい収束角となっており、したがって、ミラーよりも距離ｈの上方位置で狭くなっている。また、焦点での光ビームの幅は決してゼロにはならず、最小幅としてくびれ部を形成していて、さらに狭く収束されている光ビームでは、該くびれ部がもっと狭くなっていることも明らかである。

基本コンセプト２：ビーム幅−光梃子
図７において、光ビームＢ１の反射後の収束角が光ビームＢ２の収束角よりも小さいということは、ミラー２とレンズＬ３との間の距離をさらに大きくすることを可能とする。光ビームの直径Ｄは、通常は、用いられているレンズ（特にＭＳＴによる適用）の直径により、制限される。直径Ｄの最大値は、光ビームＢ１の場合、ミラーから高い位置である距離ｈが大きいところとなる。図８はその利点を示している。ミラー（すなわち管）の回転角αが与えられると、大きい距離ｈ（ｈ_１でなくｈ_２）が光スポット（Ｓ_１でなくＳ_２）の横方向変位を大きくする。したがって、これは、反射光ビームの光路に配された光センサの感度を向上させる。距離ｈは「光梃子」とも称される。

基本コンセプト３：球面−円柱−非球面レンズ
球面レンズは投光ビームの収束を同じ程度であらゆる方向で変化させる。一つの方向でのみ、一つの円柱レンズが用いられる非球面レンズは中間形である。円柱レンズは、丸い投光ビームが、レンズ透過後に楕円をなし、楕円度がレンズに対する距離で変化するようにすることができるが、事態の核心は、光ビームの中心線が異なる面を通るようなこれらの面で一つの収束／発散が光ビームに与えられるということである。

これらの基本コンセプトは、手段の感度を高めるために、いくつかの手段を明確にしておくことに役立つ。

改善手段２：励起とコリオリ動の方向についての異なる発散
光梃子、すなわち、ミラーの面と光センサ（あるいは、その前側に配され反射光ビームに位置するレンズＬ３）との間の距離がコリオリ動を求めるために増大される。これは、管壁から反射された光ビームの収束角が、コリオリ動方向で励起方向よりも小さく選定されるように位置づけられた円柱あるいは球面レンズを用いることでなされる。これは、縦軸が励起動の回転軸と一致していなければならない円柱レンズの場合に適用される。

これらのレンズ（図１でのレンズＬ２とレンズＬ３）は、好ましくは、投光路と反射光路の両方に配され、又、投光路と反射光路のそれぞれで単一レンズ（図２におけるレンズＬ２＝Ｌ３）として組まれたものとしてもよい。これに代わる形態としては、凹反射面（凹反射体あるいは凹面ミラー）がレンズに代えて用いることができる。この改善手段はクオードセルやＰＳＤで適用される。

改善手段３：クオードセル上の光スポットの高さ／幅の最適化
レンズＬ３，Ｌ４の位置における円柱そして／あるいは非球面レンズは、最小量の光が変位の一単位毎に一方の半部から他方の半部へ通過し、コリオリ動が最大となるように、クオードセル上の光スポットの高さ／幅（比）（高さを幅で除した値）で形づける。その理由は、大きい変位でも、この方向でのクオードセルに低感度しかもたらさないので、励起方向で大きなストローク長が、望まれるのに対し、コリオリ動方向では小さな変位でも高い感度が望まれるからである。これは、前述した手段における収束の場合のみならず、これに貢献するクオードセル上のスポットの形でもそうである。

図９は、直径Ｄ_１と四つの象限の間にギャップｇをもつ円形セルを示す（ただし、効果は、四角あるいは他の形のセルでも同じである）。光スポットの励起動による直動が「ｔｒａ１」の方向になされたとき、光スポットの最大幅が同方向にあれば、照射面域の最小量は、変位の一単位毎に右側から左側の半部へと移動する。励起運動の幅のピークピーク値Ａｅが与えられると、スポットの最大可能幅は、次式で与えられる。

スポット幅（励起）ｂ１＝Ｄ_１−ｇ−Ａｅ

コリオリ動の方向（図９、「ｔｒａ２」）では、光スポットの小さな変位に対し、下方から上方の半部へ多くの光面域が変位することが望まれる。これは、この方向での小さなスポットサイズが要求される。ここで、ストロークの範囲は、実際における限界にはならない。最大流におけるコリオリ動の幅のピークピーク値が与えられると、最小可能スポット高さは次式で与えられる。

スポット幅（コリオリ）ｂ２＝ｇ＋Ａｃ

トレランスと非線型性の調整のために、実際は、いくらかのマージンを要することは勿論である。加えて、いかなる動きの幅に対しても、スポットがセルの一つの半部を完全に覆ってしまうような事態は避けなければならない。

改善手段４：コリオリ動方向でのくびれ部の半径に対するコリオリ動方向での発散角の比の最適化
管壁上に映じた光スポットの発散角度と、管壁と反射光路上に配された第三（平行）レンズＬ３との間の距離との積が、管壁の領域におけるコリオリ動方向での光ビームのくびれ幅に比較して、コリオリ動方向で小さく選定される。この条件が満足されたときにのみ、光梃子が効を奏する。

理由：このことは図１０により示されている。光ビームは、コリオリ動の方向で小さな振動的回転角βを生ずる管１（図示せず）に設けられたミラー２上にスポット状に照射する。収束レンズ（図示せず）が図１におけるレンズＬ２の位置と同様な位置で投光に対して配されていて、その結果、反射光ビームは発散角δをもって発散する。これは第三（平行）レンズＬ３により収束されて平行光となりクオードセル型の光センサ４へ向う。レンズＬ３とクオードセル４との間の距離は、光ビームがこのレンズを通過後は平行に進むので、何ら係りはない。

管における回転角βの変化により、光スポットの中心はクオードルセル上で距離ｙだけ変位する。この距離ｙの変位が光梃子によって増大させることができることは、改善手段２を参照すれば理解できる。コリオリ動方向におけるクオードルセル上の光スポットの半径が所定の最小値以上でなくてはならないことは、改善手段３で示されている。この変位と半径との間の関係は、分子に角度βに光梃子の長さｈを乗じた値、そして分母には光スポットの半径ｒを含んだ、以下に示される式で与えられ、ここでこの半径ｒはくびれ部の半径ｒ_０と、発散角δにレンズの距離ｈを乗じた値の和となっている。分母に対する分子の比は、感度についての尺度、すなわち、一方のクオードセルから他方のクオードセルへ移動した光感知面上での照射面の大きさである。

ｙ／ｒ＝（２・β・ｈ）／（δ・ｈ＋ｒ_０）

この式から、くびれ部の半径ｒ_０が発散角δにレンズ距離ｈを乗じた値に対して十分に小さければ、梃子長さとしての距離ｈ自体が分子そして分母から消去できるということが明らかである。換言すれば、ｒ_０の大きい値は小さい発散角δの値につながり、かくして、大きい距離ｈの値の梃子作用となる。しかし、小さなｈの値は感度を、大きいｒ_０の値における場合よりも低くする。この条件はクオードセルについてのみ適用でき、ＰＳＤには適用できない第四の改善手段で成り立つ。

図１１は、第一そして第二の改善手段すなわち、部分光透過型ミラーそして距離ｈの光梃子が適用できる特に簡単な形態を示している。反射変位センサが、図５に示される回転角「ｒｏｔ１」の回転中心にはなく、この中心の外に位置している。基本状態では、反射光ビームの５０％が本実施形態の光センサの外にある。このパーセンテージは、直動「ｔｒａ」（部分光透過ミラーを用いないとき）と回転角βとの組み合わせにより、大きくも小さくもなる。光センサは、この場合、クオードセルやＰＳＤでなく、従来型の単一フォトダイオードやフォトトランジスタとすることができる。こうすると、一つの変位センサで別の二つの方向での、ミラー２が設けられた管１（図示せず）の変位そして／あるいは角回転を測定をすることはできない。このような、いくつかの変位センサが管の一つあるいはいくつかの位置に求められる。これは、ＥＰ−Ａ１７１９９８３に開示された方法に匹敵するが、光透過型変位センサに代えて反射型変位センサを有している。

改善手段５：
この改善手段は、収束光ビームが管１（図示せず）や管壁のミラー２上に集光されずに、最大収束（くびれ部）の点が管（ミラー）と光センサ４との間の反射光路において光ビーム上の点に位置している。図１２はその原理を示している。光源３の光はレンズＬ１１とＬ１２によってミラー２に向けられている。管からの反射光の光路には、（平行）レンズ１３が該管と光センサ４との間に配されている。レンズＬ１３を設ける代わりに、光センサ４がレンズＬ１３の配置位置に設けられていてもよい。

この図１２と前出の図１そして図１０との間の違いは、後者二つでは集光が管壁上でなされていること、すなわち、ビームの集光（くびれ部）が（管壁での）反射点と一致していることを示しているのみであるということである。図１０の距離ｈに代えて、図１２では、異なる二つの関連した距離ｈ_１とｈ_２が示されている。

この方法による利点は、改善手段４で論じた感度の関数ｙ／ｒによって明らかにすることができる。この分子ｙは光梃子での距離ｈ_１を含んでおり、この距離ｈ_１は管壁と光センサ（例えば、クオードセル）あるいはその前に置かれた平行レンズとの間の距離であり、ここで焦点は管壁上にはない。分母の半径ｒは形成された光スポットの半径であり、この半径は、焦点と光センサあるいはその前に置かれた平行レンズとの間の距離ｈ_２により部分的に決定される。管壁上に焦点があるときにはｈ_１＝ｈ_２＝ｈとなる。
かくして感度の関数は次のようになる。

ｙ／ｒ＝（２・β・ｈ_１）／（δ・ｈ_２＋ｒ_０）

図２の状態では、距離ｈ_１は距離ｈ_２よりも大きく、感度ｙ／ｒは、したがって、集光が管壁上になされるときよりも大きい。感度は、このようにして、集光が管壁上になされる場合よりも何倍も増大することができる。

この原理は、円柱あるいは非球面レンズにより得られる光ビームの動きがコリオリ動の方向のときに特に有効である。

反射光路に配されたオプションとしての平行レンズが上述されている。また、改善手段５は、このレンズが収束あるいは発散型のときには原理上有効である。

結言として、本発明は、媒体が流れる少なくとも一つの振動流管を有するコリオリ型流量センサシステムであって、該流量センサシステムが管を励起する手段と、光センサの光感知面へ向けた光ビームの反射の原理にもとづき、管の一点もしくは複数点の動きを決定する光検出手段とを有し、上記光ビームが管壁あるいはこの管壁に形成された層、あるいは管壁に取り付けられた要素に向け投光される装置に関しており、光ビームを形成する手段が、コリオリ力に関連した管の動きの方向での光ビームの収束角を励起力に関連する管の動きの方向での収束角よりも小さくするように配設されている。これによって、コリオリ力によって生ずる管の小さな動きの方向での感度が高められる。さらに、特に、光ビームを形成する手段は、管（の点）の変位（直動）のみでなく、管の（点）の回転角も検知し、あるいは専ら管の回転角のみを検知するように配設される。

１ 管（管壁）
２ ミラー
３ 光源
４ 光センサ

Claims (15)

1. 媒体が流れる振動流管を有するコリオリ型流量センサシステムであって、該流量センサシステムが管を励起する手段と、管の少なくとも一点の動きを決定する光検出手段と、該光検出手段が管壁、該管壁に形成された層、あるいは該管壁に取り付けられた要素へ光ビームを投光する光源と、管壁、該管壁に形成された層、あるいは管壁に取り付けられた要素で反射された後の光を感知する光感知面を備えた光センサとを有しているコリオリ型流量センサシステムにおいて、光ビームを形成する手段が、コリオリ力に関連した管の動きの方向での光ビームの収束角を、励起力に関連する管の動きの方向での光ビームの収束角よりも小さくするように配設されていることを特徴とするコリオリ型流量センサシステム。
2. 光ビームを形成する手段が投光ビームに配された光学部品を有していることとする請求項１に記載のコリオリ型流量センサシステム。
3. 光学部品が少なくとも一つの円柱あるいは非球面収束レンズを有していることとする請求項２に記載のコリオリ型流量センサシステム。
4. 投光ビームと反射光ビームの間の角度が０°より大きく６０°より小さいこととする請求項１に記載のコリオリ型流量センサシステム。
5. 投光ビームと反射光ビームの間の角度が０°であることとする請求項１に記載のコリオリ型流量センサシステム。
6. 部分光透過型ミラーが投光ビームと反射光ビームの間を６０°とするように配置されていることとする請求項５に記載のコリオリ型流量センサシステム。
7. 偏光ビームスプリッタが投光ビームと反射光ビームとの間を０°するように配置されていること、二つの光路で９０°＋１８０°×ｎ（ｎ：整数）まで光の偏光方向を回転させる四分の一波長板が上記ビームスプリッタと管の反射面との間で光ビーム位置に配されていることとする請求項５に記載のコリオリ型流量センサシステム。
8. コリオリ動に関連する方向での光スポットの寸法が励起動に関連する方向での光スポットの寸法よりも十分に小さいように、光センサ上の光スポット映像の高さ／幅の比が設定されるように、光学部品が配置されていることとする請求項２に記載のコリオリ型流量センサシステム。
9. 光学部品は少なくとも一つの円柱もしくは非球面レンズであることとする請求項８に記載のコリオリ型流量センサシステム。
10. 管壁と反射光路上の平行レンズとの間のコリオリ動方向での距離と、管壁上の光スポット映像の発散の大きさとの積が、管壁の位置におけるコリオリ動方向での光ビームのくびれ部の大きさよりも小さくなるように光学部品が配置されていることとする請求項２に記載のコリオリ型流量センサシステム。
11. 光ビームの焦点と光センサとの間のコリオリ動方向での距離と光ビーム発散の大きさとの積が、上記焦点の位置におけるコリオリ動方向での光ビームのくびれ部の幅よりも小さくなるように光学部品が配置されていることとする請求項２に記載のコリオリ型流量センサシステム。
12. 追加的光学部品が反射光ビームに配置されていることとする請求項１１に記載のコリオリ型流量センサシステム。
13. 光センサが光ビーム全体が映像されているセグメント化されたセルであることとする請求項１に記載のコリオリ型流量センサシステム。
14. セグメント化されたセルがクオードラントセルであることとする請求項１３に記載のコリオリ型流量センサシステム。
15. 反射光ビームの一部のみが光センサの光感知面に映像され、光センサにおける入光量を決定する手段が設けられ、該手段が管の点における動きを測定手段をなしていることとする請求項１に記載のコリオリ型流量センサシステム。

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