JP2013174484A - 流体の流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルが不要とし、コストダウンを図った水道メータを提供する。
【解決手段】水道メータは、羽根車２１、回転減速部２２、第１の円板２３、第２の円板２４、回転検出部４０、演算装置５０を含んで構成される。回転検出部４０は、は、スイッチング回路により、第１乃至第３の結合キャパシタを形成する。そして回転検出部４０は、第１の円板２３の回転に伴う、第１乃至第３の結合キャパシタの容量値の変化を検出する。演算装置５０は、これらの容量値の変化に基づいて第１の円板２３の回転角θを電気的に検出するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体や気体の流量を電子的に測定することができる流体の流量測定装置に関する。

従来、磁気センサや、ＬＣ共振回路を用いた電子式の水道メータが知られている。磁気センサを用いた水道メータについては特許文献１に記載されている。ＬＣ共振回路を用いた水道メータは、近年ヨーロッパで使用されている。以下、このＬＣ共振回路を用いた水道メータについて説明する。

図１４は、ＬＣ共振回路を用いた水道メータの構成を示す模式図である。この水道メータは、羽根車１、回転減速部２、円板３、回転検出部６、演算装置７から構成されている。回転検出部６は、第１のコイル４ａ、第２のコイル４ｂ、第１のキャパシタ５ａ、第２のキャパシタ５ｂを有している。

羽根車１は、水道管の中に設置され、水道水の流量（単位時間当たり水道管の中を流れる水道水の量）に比例した回転速度（単位時間当たりの回転数）で回転する。羽根車１の回転速度は回転減速部２により減速されて、円板３の中心を通る回転シャフトに伝達される。回転減速部２は、歯数が少ない小歯車２ａと、この小歯車２ａと噛み合わされ歯数が多い大歯車２ｂを含んで構成され、その減速率は小歯車２ａと大歯車２ｂの歯数比により決定される。歯車の個数、各歯車の歯数は必要とされる減速率に応じて増減できる。これにより、円板３は羽根車１より相当小さい回転速度（例えば、１秒間に一回転）で回転するようになっている。

図１５に示すように、円板３は、主表面に配置された半円の金属部３ａ（例えば、銅からなる）と、この金属部３ａを除いた残りの主表面に配置された半円の絶縁体部３ｂ（例えば、樹脂からなる）から構成される。

第１のコイル４ａと、第２のコイル４ｂは円板３の上方に配置される。第１のコイル４ａと第１のキャパシタ５ａは第１のＬＣ共振回路を形成し、第２のコイル４ｂと第２のキャパシタ５ｂは第２のＬＣ共振回路を形成する。

例えば、第１のＬＣ共振回路を起動パルスの印加により起動すると発振信号が発生する。この発振信号の減衰特性は第１のコイル４ａが金属部３ａ上にあるか、絶縁体部３ｂ上にあるかによって異なる。すなわち、第１のコイル４ａが金属部３ａ上にある場合は、第１のコイル４ａによる電磁誘導により金属部３ａに渦電流が生じることにより、第１のコイル４ａのエネルギー損失が多くなる。これにより、第１のＬＣ共振回路の発振信号の減衰は比較的速く起こる。

これに対し、第１のコイル４ａが絶縁体部３ｂ上にある場合は、渦電流は生じないので、第１のＬＣ共振回路の発振信号の減衰は比較的遅くなる。したがって、発振信号の減衰特性の差を周期的にサンプリングすることで、各サンプリング時刻において第１のコイル４ａの円板３上の位置情報（つまり、金属部３ａ上にあるか、絶縁体部３ｂ上にあるかの情報）を知ることができる。

演算装置７は、第１のコイル４ａの位置情報の時間変化から円板３の回転速度を求める。また、演算装置７は、円板３の回転速度と、回転減速部２の減速率から羽根車１の回転速度を算出する。さらに、演算装置７は、予め知られている羽根車１の回転速度と水道水の流量の関係から、水道水の流量を算出することができる。演算装置７は例えばマイクロコンピュータである。

このような測定原理から、円板３の回転速度を求めるのであれば、第１のＬＣ共振回路だけで足りることが分かるが、第１及び第２のＬＣ共振回路の両方を用いることにより、円板３の回転速度だけでなく回転方向も同時に検出することができる。この場合、第１及び第２のＬＣ共振回路による位置検出の最小サンプリングレートは、次の数式１で表わすことができる。

最小サンプリングレート＝２×３６０°／α×ＲＶｍａｘ ・・・（１）
数式１において、αは第１のコイル４ａと第２のコイル４ｂが成す角度、つまり第１のコイル４ａと円板３の中心Ｏとを結ぶ線と、第２のコイル４ｂと円板３の中心Ｏとを結ぶ線との成す角度である。ＲＶｍａｘは円板３の最大回転速度である。

例えば、α＝９０°である場合、最小サンプリングレートは、８×ＲＶｍａｘである。円板３の最大回転速度が１回／秒（１秒間に１回転）であるとすると、最小サンプリングレートは、８回／秒となる。

次に、回転検出部６の具体的な構成を図１６に基づいて説明する。第１及び第２のＬＣ共振回路は同じ構成を有しているので、ここでは、第１のＬＣ共振回路を含む部分のみを説明する。

図示のように、回転検出部６は、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタからなる起動トランジスタ１０、電流制限用の抵抗Ｒ１、第１のコイル４ａ、第１のキャパシタ５ａ、コンパレータ１１、ラッチ回路１２、電源ライン１３、平滑用キャパシタ１４を含んで構成される。第１のＬＣ共振回路は第１のコイル４ａと、第１のキャパシタ５ａを並列接続して形成される。

図１７に示すように、起動トランジスタ１０にＬレベル（０Ｖ）の起動パルスＧＰが印加されると、起動トランジスタ１０が起動パルスＧＰのパルス幅ｔｗに応じた期間だけオンする。起動パルスＧＰはサンプリングレートに応じて周期的に発生される。これにより、起動トランジスタ１０がオンすると、電源ライン１３から起動トランジスタ１０を介して第１のＬＣ共振回路に電流が供給されることで第１のＬＣ共振回路が起動され、ノードＮに第１の発振信号が発生する。この発振信号の発振周波数ｆｏｓｃは数式２で表わされる。

ｆｏｓｃ＝１／２π×√１／Ｌ×Ｃ ・・・（２）
Ｌは第１のコイル４ａのインダクタンス、Ｃは第１のキャパシタ５ａの容量である。

コンパレータ１１は、この第１の発振信号と基準電圧Ｖｒｅｆを比較する。第１の発振信号の中心電圧は０．５ＶＤＤに設定されており、基準電圧Ｖｒｅｆは０．５ＶＤＤとＶＤＤの間に設定される。すると、コンパレータ１１の出力は、第１の発振信号＞Ｖｒｅｆの場合はＨレベル、第１の発振信号＜Ｖｒｅｆの場合はＬレベルになる。コンパレータ１１の出力はパルス列になる。

ラッチ回路１２は、ラッチパルスＲＰに応じてコンパレータ１１から出力されるパルスをラッチする。この場合、ラッチ回路１２は、起動パルスＧＰの発生から所定の遅延時間ｔ１の後の測定期間ｔ２の間に発生するラッチパルスＲＰに応じてコンパレータ１１から出力されるパルスをラッチするように構成される。

図１７に示した第１の発振信号は、第１のコイル４ａが絶縁体部３ｂ上にある場合であり、第１の発振信号の減衰は比較的遅くなっている。そのため、測定期間ｔ２においても、第１の発振信号は基準電圧Ｖｒｅｆより高い期間があり、その期間ではコンパレータ１１はパルスを出力するため、ラッチ回路１２は当該パルスをラッチし、データ「１」（Ｈレベル）を保持する。

これに対し、第１のコイル４ａが金属部３ａ上にある場合には発振信号の減衰は比較的速くなる。そのため、測定期間ｔ２においては、発振信号は基準電圧Ｖｒｅｆより低く減衰しており、コンパレータ１１はパルスを出力しないため、ラッチ回路１２はデータ「０」（Ｌレベル）を保持する。

したがって、第１及び第２のＬＣ共振回路を含む回転検出部６は、図１８、図１９に示すように、４つの回転状態（ａ）〜（ｄ）を識別することができる。

回転状態（ａ）において、第１のコイル４ａは金属部３ａ上にあり、第２のコイル４ｂは絶縁体部３ｂ上にある。この時、第１のＬＣ共振回路の第１の発振信号は、第２のＬＣ共振回路の第２の発振信号より速く減衰する。そのため、第１及び第２のＬＣ共振回路のラッチ回路１２が保持するデータは（０，１）である。

回転状態（ｂ）において、第１のコイル４ａと第２のコイル４ｂの両方が、金属部３ａ上にある。この時、第１の発振信号と第２の発振信号の両方が速く減衰する。そのため、第１及び第２のＬＣ共振回路のラッチ回路１２が保持するデータは（０，０）である。

回転状態（ｃ）において、第１のコイル４ａは絶縁体部３ｂ上にあり、第２のコイル４ｂは金属部３ａ上にある。この時、第２の発振信号は第１の発振信号より速く減衰する。そのため、第１及び第２のＬＣ共振回路のラッチ回路１２が保持するデータは（１，０）である。

回転状態（ｄ）において、第１のコイル４ａと第２のコイル４ｂの両方が、絶縁体部３ｂ上にある。この時、第１の発振信号と第２の発振信号の両方が遅く減衰する。
そのため、第１及び第２のＬＣ共振回路のラッチ回路１２が保持するデータは（１，１）である。

したがって、上記の２つのラッチ回路１２に保持されるデータの時間変化に基づいて、円板３の回転周期Ｔを求めることができる。円板３の回転速度は、回転周期Ｔの逆数の１／Ｔとなる。この場合、１回のサンプリングで、回転状態（ａ）〜（ｄ）のいずれかを示すデータが得られるので、サンプリングレートを増加することにより、円板２の回転速度の測定精度を高めることができる。

また、回転状態（ａ）〜（ｄ）が現れる順番により、円板３の回転方向も決定することができる。すなわち、図１９に示すように、回転状態が（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の順に変化する場合は反時計回りであり、回転状態が逆に（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の順に変化する場合は時計回りであることが分かる。

特開２００８−２２４３２０号公報

しかしながら、上述した従来の水道メータでは、高価なコイルを用いているのでコストが高いという問題があった。また、コイルに永久磁石を近づけるとＬＣ共振回路が異常動作するという問題があった。

さらに、ＬＣ共振回路の起動時に起動パルスＧＰの印加により、起動トランジスタ１０を瞬間的にオンさせるので、電源ライン１３にスパイク電流が流れる。このスパイク電流による電源ライン１３の電圧変動が生じ回路の誤動作が生じるおそれがあった。そこで、この電圧変動を抑制するために、大容量の平滑用キャパシタ１４を設ける必要があった。

さらにまた、ＬＣ共振回路を起動させるためには、起動パルスＧＰのパルス幅ｔｗを高精度に管理する必要があるが、そのためには高周波の基準クロックが必要であった。起動パルスＧＰのパルス幅ｔｗは０．８μ秒程度であるので、１０ＭＨｚ程度の基準クロックが必要であった。また、上述の遅延時間ｔ１を高精度に管理するためにも、同様の高周波の基準クロックが必要であった。

そこで、本発明の目的は、コイルを不要とし、外付け部品点数を削減してコストダウンを図ることである。また、本発明の他の目的は、スパイク電流を抑制することにより大容量の平滑用キャパシタ１４を必要とせず、しかも高周波の基準クロックを必要としない水道メータ、また、これを一般化して流体の流量測定装置を提供することである。

本発明の流体の流量測定装置は、主表面に扇形状の共通容量電極と、この共通容量電極を除いた残りの主表面に配置された絶縁体部とを備える第１の円板と、前記第１の円板を流体の流量に比例した回転速度で回転させる回転手段と、前記第１の円板の主表面上に一定距離を隔てて重なるように配置され、主表面にその中心点に対して点対称に配置された扇形状の第１乃至第３の共通容量電極を備える第２の円板と、前記第１乃至第３の容量電極と前記共通容量電極との間にそれぞれ形成される第１乃至第３のキャパシタの容量値を検出する回転検出部と、前記回転検出部によって検出された前記第１乃至第３のキャパシタの容量値に基づいて前記第１の円板の回転速度を算出し、この回転速度に基づいて流体の流量を算出する演算装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の流体の流量測定装置によれば、コイルが不要なので、コストダウンを図ることができると共に、永久磁石を近づけても異常動作することがない。

また、本発明の流体の流量測定装置によれば、起動時にスパイク電流が流れないので、大容量の平滑用キャパシタを設ける必要が無くなる。また、高周波の基準クロックを必要としないので、回路構成を簡略化できる。本発明の流体の流量測定装置は、水道メータに好適であるが、水道水以外の液体、気体の流量の測定装置に適用することができる。

本発明の第１の実施形態における水道メータの構成を示す図である。 第１及び第２の円板の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における回転検出部の回路図である。 本発明の第１の実施形態における結合キャパシタを示す図である。 ＲＣ発振回路の回路図である。 ＲＣ発振回路の動作波形図である。 回転検出部の動作波形図である。 本発明の第１の実施形態における第１の円板の回転角と結合キャパシタの容量値の関係を示す第１の図である。 本発明の第１の実施形態における第１の円板の回転角と結合キャパシタの容量値の関係を示す第２の図である。 本発明の第１の実施形態における第１の円板の回転角と結合キャパシタの容量値の関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態における回転検出部の回路図である。 本発明の第２の実施形態における結合キャパシタを示す図である。 本発明の第２の実施形態における第１の円板の回転角と結合キャパシタの容量値の関係を示す図である。 従来の水道メータの構成を示す図である。 円板の構成を示す平面図である。 従来の水道メータの回転検出部の回路図である。 従来の水道メータの回転検出部の動作波形図である。 従来の水道メータの回転状態と、発振信号との関係を示す図である。 従来の水道メータの回転状態と、回転検出部のラッチ回路の保持データとの関係を示す図である。

［第１の実施形態］
＜水道メータの全体構成＞
図１は、本実施形態の水道メータの構成を示す模式図である。図２は、第１の円板２３、第２の円板２４の平面図である。この水道メータは、羽根車２１、回転減速部２２、第１の円板２３、第２の円板２４、回転検出部４０、演算装置５０を含んで構成されている。

羽根車２１は、水道管の中に設置され、水道水の流量（単位時間当たり水道管の中を流れる水道水の量）に比例した回転速度（単位時間当たりの回転数）で回転する。羽根車２１の回転速度は回転減速部２２により減速されて、第１の円板２３の中心Ｏ１を通る回転シャフトに伝達される。回転減速部２２は、歯数が少ない小歯車２２ａと、この小歯車２２ａと噛み合わされ歯数が多い大歯車２２ｂを含んで構成され、その減速率は小歯車２２ａと大歯車２２ｂの歯数比により決定される。歯車の個数、各歯車の歯数は必要とされる減速率に応じて増減できる。これにより、第１の円板２３は羽根車２１より相当小さい回転速度（例えば、１秒間に一回転）で回転するようになっている。第２の円板２４は、第１の円板２３に対して一定距離を隔てて重なるように固定して配置される。第１の円板２３と第２の円板２４との間には空気のような気体層が存在する。つまり、第１の円板２３は回転可能であるが、第２の円板２４は回転しないようになっている。

図２（ａ）に示すように、第１の円板２３は、主表面に配置された扇形状の共通容量電極２３ａ（例えば、銅からなる）と、この共通容量電極２３ａを除いた残りの主表面に配置された扇形状の絶縁体部２３ｂ（例えば、樹脂からなる）から構成される。共通容量電極２３ａの中心角αは２４０°であり、絶縁体部２３ｂの中心角は１２０°である。

図２（ｂ）に示すように、第２の円板２４は、主表面にその中心点Ｏ２に対して点対称に配置された扇形状の第１乃至第３の容量電極２４ａ，２４ｂ，２４ｃを備える。
第１乃至第３の容量電極２４ａ，２４ｂ，２４ｃは互いに合同であり、中心角βは略１２０°である。第１乃至第３の容量電極２４ａ，２４ｂ，２４ｃはスリット状の絶縁体部２４ｄを介して互いに電気的に絶縁されている。また、第１乃至第３の容量電極２４ａ，２４ｂ，２４ｃからはそれぞれ第１乃至第３の配線２５ａ，２５ｂ，２５ｃが引き出され、回転検出部４０に接続される。

図２（ｃ）は、第１の円板２３と第２の円板２４を重ねた状態を示している。第１の円板２３と第２の円板２４は同じ半径を有しており、それぞれの中心点Ｏ１，Ｏ２は平面図で見ると一致している。また、第２の円板２４の第１乃至第３の容量電極２４ａ，２４ｂ，２４ｃが形成された主表面は、第１の円板２３の共通容量電極２３ａが形成された主表面に対向している。

第１乃至第３の容量電極２４ａ，２４ｂ，２４と共通容量電極２３ａの間には、それぞれ第１乃至第３のキャパシタ２６ａ，２６ｂ，２６ｃが形成される。図２（ｃ）の場合には、第１の容量電極２４ａ及び第２の容量電極２４ｂは、共通容量電極２３ａによって完全に覆われており、第３の容量電極２４は共通容量電極２３ａによって全く覆われていない。このため、第１及び第２のキャパシタ２６ａ，２６ｂの容量値Ｃａ，Ｃｂは最大値（例えば、「１」とする）となっており、第３のキャパシタ２６ｃの容量値Ｃｃは無視できる程度の最小値（例えば、「０」とする）になっている。図２（ｃ）の状態の第１の円板２３の回転角θを０°とする。

この状態から第１の円板２３が回転すると、第１乃至第３のキャパシタ２６ａ，２６ｂ，２６ｃの容量値Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃは変化する。回転検出部４０は、これらの容量値Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃの変化を検出する。

演算装置５０は、これらの容量値Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃの変化に基づいて第１の円板２３の回転角θを電気的に検出するように構成される。回転検出部４０の検出を周期的に行うことにより、演算装置５０は回転角θの時間変化を検出すること、つまり、第１の円板２３の回転速度と回転方向を検出することができる。

さらに、演算装置５０は第１の円板２３の回転速度に基づいて、水道水の流量を算出する。すなわち、演算装置５０は、回転減速部２２の減速率から羽根車２１の回転速度を算出することができる。そして、演算装置５０は、予め知られている羽根車１の回転速度と水道水の流量の関係から、水道水の流量を算出することができる。演算装置５０は例えばマイクロコンピュータである。

＜回転検出部４０の構成＞
図３は回転検出部４０の回路図である。回転検出部４０は、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタからなる第１乃至第３の接地トランジスタ２７ａ，２７ｂ，２７ｃ、第１乃至第３のトランスミッションゲートＴＧａ，ＴＧｂ，ＴＧｃ、抵抗２８、シュミット型インバータ２９、ＡＮＤ回路３０、カウンタ３１、第１乃至第３のラッチ回路３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、第１乃至第３のインバータ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ、共通配線３４を含んで構成される。

第１乃至第３の接地トランジスタ２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、それぞれ第１乃至第３の配線２５ａ，２５ｂ，２５ｃと接地の間に接続される。第１乃第３のトランスミッションゲートＴＧａ，ＴＧｂ，ＴＧｃは、それぞれ共通配線３４と第１乃至第３の配線２５ａ，２５ｂ，２５ｃとの間に接続される。

第１乃第３のトランスミッションゲートＴＧａ，ＴＧｂ，ＴＧｃ、第１乃至第３の接地トランジスタ２７ａ，２７ｂ，２７ｃという６個のスイッチング素子からなるスイッチング回路のスイッチングは、第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃによって制御される。表１に示すように、このスイッチング回路は第１乃至第３のモードというスイッチング状態を有している。

（ａ）第１のモードにおいて、第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは（Ｈ，Ｌ，Ｌ）であり、第１のトランスミッションゲートＴＧａ、第２及び第３の接地トランジスタ２７ｂ，２７ｃのみがオンする。「Ｈ」はＨレベル（電源電圧ＶＤＤ）であり、「Ｌ」はＬレベル（接地電圧０Ｖ）である。

これにより、図４（ａ）に示すように第１の結合キャパシタ３５Ａ１が形成される。第１の結合キャパシタ３５Ａ１は、並列に接続された第２及び第３のキャパシタ２６ｂ，２６ｃに第１のキャパシタ２６ａを、共通容量電極２３ａを介して直列に接続してなり、第１のキャパシタ２６ａの第１の容量電極２４ａが共通配線３４を介してシュミット型インバータ２９の入力端子に接続される。第２及び第３の容量電極２４ｂ，２４ｃは接地される。

第１の結合キャパシタ３５Ａ１の容量値ＣＡ１は数式３で表わされる。

ＣＡ１＝Ｃａ・（Ｃｂ＋Ｃｃ）／Ｃａ＋Ｃｂ＋Ｃｃ ・・・（３）
（ｂ）第２のモードにおいて、第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは（Ｌ，Ｈ，Ｌ）であり、第２のトランスミッションゲートＴＧｂ、第１及び第３の接地トランジスタ２７ａ，２７ｃのみがオンする。これにより、図４（ｂ）に示すように第２の結合キャパシタ３５Ｂ１が形成される。第２の結合キャパシタ３５Ｂ１は、並列に接続された第１及び第３のキャパシタ２６ａ，２６ｃに第２のキャパシタ２６ｂを、共通容量電極２３ａを介して直列に接続してなり、第２のキャパシタ２６ｂの第２の容量電極２４ｂが共通配線３４を介してシュミット型インバータ２９の入力端子に接続される。第１及び第３の容量電極２４ａ，２４ｃは接地される。第２の結合キャパシタ３５Ｂ１の容量値ＣＢ１は数式４で表わされる。

ＣＢ１＝Ｃｂ・（Ｃａ＋Ｃｃ）／Ｃａ＋Ｃｂ＋Ｃｃ ・・・（４）
（ｃ）第３のモードにおいて、第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは（Ｌ，Ｌ，Ｈ）であり、第３のトランスミッションゲートＴＧｃ、第１及び第２の接地トランジスタ２７ａ，２７ｂのみがオンする。これにより、図４（ｃ）に示すように第３の結合キャパシタ３５Ｃ１が形成される。第３の結合キャパシタ３５Ｃ１は、並列に接続された第１及び第２のキャパシタ２６ａ，２６ｂに第３のキャパシタ２６ｃを、共通容量電極２３ａを介して直列に接続してなり、第３のキャパシタ２６ｃの第３の容量電極２４ｃが共通配線３４を介してシュミット型インバータ２９の入力端子に接続される。第１及び第２の容量電極２４ａ，２４ｂは接地される。第３の結合キャパシタ３５Ｃ１の容量値ＣＣ１は数式５で表わされる。

ＣＣ１＝Ｃｃ・（Ｃａ＋Ｃｂ）／Ｃａ＋Ｃｂ＋Ｃｃ ・・・（５）
図５に示すように、ＲＣ発振回路３６は、抵抗２８、シュミット型インバータ２９及び、第１乃至第３のモードに対応した第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ１，３５Ｂ１，３５から構成される。ＲＣ発振回路３６のキャパシタ部分は、第１のモードでは第１の結合キャパシタ３５Ａ１であり、第２のモードでは第２の結合キャパシタ３５Ｂ１であり、第３のモードでは第３の結合キャパシタ３５Ｃ１である。抵抗２８はシュミットインバータ２９の入力端子と出力端子の間に接続される。

シュミットインバータ２９は、第１の閾値電圧ＶＴＬと、第２の閾値電圧ＶＴＨを有している。第１の閾値電圧ＶＴＨ及び第２の閾値電圧ＶＴＨは、シュミットインバータ２９の電源電圧ＶＤＤと接地電圧の間に設定されるが、第２の閾値電圧ＶＴＨは第１の閾値電圧ＶＴＬより大きい。

図６は、ＲＣ発振回路３６の発振波形図である。シュミットインバータ２９の入力端子の波形は第１の閾値電圧ＶＴＬと第２の閾値電圧ＶＴＨの間で変化する。シュミットインバータ２９の出力端子から発振信号ＯＳが得られる。

ＲＣ発振回路３６の発振周波数ＦＲＣは数式６で表わされる。

ＦＲＣ＝１／Ｒ・Ｃ０・（ＶＤＤ−ＶＴＬ）・ＶＴＨ ・・・（６）
ここで、Ｃ０は、第１のモードではＣＡ１、第２のモードではＣＢ１、第３のモードではＣＣ１である。すなわち、ＲＣ発振回路３６の発振周波数ＦＲＣは、第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ１，３５Ｂ１，３５Ｃ１の容量値ＣＡ１，ＣＢ１，ＣＣ１に逆比例する。

なお、第１乃至第３の容量電極２４ａ，２４ｂ，２４ｃの間には、寄生容量ＣＸが存在するが、これは、各モードにおける第１乃至第３の第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ１，３５Ｂ１，３５Ｃ１に並列に接続されるが、数式６ではこの寄生容量ＣＸを考慮していない。この寄生容量ＣＸも考慮する場合は、数式６において、Ｃ０をＣ０＋ＣＸで置き換えれば良い。

ＲＣ発振回路３６の発振信号ＯＳは、ＡＮＤ回路３０を介してカウンタ３１に入力される。ゲート信号ＧＳがＨレベルの期間、発振信号ＯＳに入力される。ゲート信号ＧＳは、第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，ＴｃのいずれかがＨレベルの時にＨレベルとなる信号である。カウンタ３１は、その期間に発振信号ＯＳのパルス数をカウントする。つまり、ＡＮＤ回路３０及びカウンタ３１は、ＲＣ発振回路３６の発振周波数をカウントする周波数カウンタとして機能する。

カウンタ３１は、３２ＫＨｚ程度のクロックに基づいて動作する。また、カウンタ３１は第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，ＴｃがＨレベルになる直前、つまりＲＣ発振回路３６が動作を開始する直前に発生するリセット信号ＲＳに応じてリセットされるように構成されている。

第１のラッチ回路３２ａは、第１のトリガ信Ｔａの立下りに同期して発生する第１のラッチパルスに応じてカウンタ３１のカウント値をラッチする。第２のラッチ回路３２ｂは、第２のトリガ信Ｔｂの立下りに同期して発生する第２のラッチパルスに応じてカウンタ３１のカウント値をラッチする。第３のラッチ回路３２ｃは、第３のトリガ信Ｔｃの立下りに同期して発生する第３のラッチパルスに応じてカウンタ３１のカウント値をラッチする。

このように、回転検出部４０は、第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ１，３５Ｂ１，３５Ｃ１の容量値ＣＡ１，ＣＢ１，ＣＣ１を、ＲＣ発振回路３６の発振周波数ＦＲＣに変換して検出している。

そして、演算装置５０は、第１乃至第３のラッチ回路３２ａ〜３２ｃにラッチされたカウンタ３１のカウント値から、第１乃至第３のモードにおけるＲＣ発振回路３６の発振周波数ＦＲＣを算出する。演算装置５０は数式６に基づいて、第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ１，３５Ｂ１，３５Ｃ１の容量値ＣＡ１，ＣＢ１，ＣＣ１を算出する。

また、演算装置５０は、第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ１，３５Ｂ１，３５Ｃ１の容量値ＣＡ１，ＣＢ１，ＣＣ１と、第１の円板２３の回転角θとの関係（図１０を参照）から、第１の円板２３の回転角θを算出する。回転検出部４０の動作を周期的に行うことにより、演算装置５０は、回転角θの時間変化を検出すること、つまり、第１の円板２３の回転速度と回転方向を検出することができる。
＜回転検出部４０の動作＞
次に、回転検出部４０の動作を図７に基づいて説明する。先ず、第１のトリガ信号ＴａがＨレベルに立ち上がる。第１のトリガ信号ＴａがＨレベルである期間において、第１のモードの第１の結合キャパシタ３５Ａ１が選択される。すると、ＲＣ発振回路３６は、第１の結合キャパシタ３５Ａ１に基づいて発振動作を開始する。カウンタ３１は、第１のトリガ信号ＴａがＨレベルに立ち上がる直前にリセットされ、ＲＣ発振回路３６の発振周波数をカウントする。カウンタ３１の値は第１のラッチ回路３２ａにラッチされる。

次に、第１のトリガ信号ＴａはＬレベルに立ち下がり、その後、第２のトリガ信号ＴｂはＨレベルに立ち上がる。第２のトリガ信号ＴｂがＨレベルである期間において、第２のモードの第２の結合キャパシタ３５Ｂ１が選択される。すると、ＲＣ発振回路３６は、第２の結合キャパシタ３５Ｂ１に基づいて発振動作を開始する。カウンタ３１は、第２のトリガ信号ＴｂがＨレベルに立ち上がる直前にリセットされ、ＲＣ発振回路３６の発振周波数をカウントする。カウンタ３１の値は第２のラッチ回路３２ｂにラッチされる。

次に、第２のトリガ信号ＴｂはＬレベルに立ち下がり、その後、第３のトリガ信号ＴｃはＨレベルに立ち上がる。第３のトリガ信号ＴｃがＨレベルである期間において、第３のモードの第３の結合キャパシタ３５ｃ１が選択される。すると、ＲＣ発振回路３６は、第３の結合キャパシタ３５Ｃ１に基づいて発振動作を開始する。カウンタ３１は、第３のトリガ信号ＴｃがＨレベルに立ち上がる直前にリセットされ、ＲＣ発振回路３６の発振周波数をカウントする。カウンタ３１の値は第３のラッチ回路３２ｃにラッチされる。

＜第１の円板２３の回転角θについて＞
次に、図８乃至図１０、表２に基づき、第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ１，３５Ｂ１，３５Ｃ１の容量値ＣＡ１，ＣＢ１，ＣＣ１と、第１の円板２３の回転角θとの関係を説明する。

図８及び図９は、第１の結合キャパシタ３５Ａ１の容量値ＣＡ１と、第１の円板２３の回転角θとの関係を説明する図である。図８（ａ）に示すように、θ＝０°の場合は、Ｃａ＝１、Ｃｂ＝１、Ｃｃ＝０である。Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃは、第１乃至第３のキャパシタ２６ａ，２６ｂ，２６ｃの容量値であって、最大値を「１」としている。この場合、数式３から、ＣＡ１＝１である。但し、ＣＡ１の最大値を「１」に規格化している。

図８（ｂ）に示すように、θ＝６０°の場合は、Ｃａ＝１、Ｃｂ＝０．５、Ｃｃ＝０．５である。この場合も、ＣＡ１＝１である。図８（ｃ）に示すように、θ＝１２０°の場合は、Ｃａ＝１、Ｃｂ＝０、Ｃｃ＝１である。この場合も、ＣＡ１＝１である。すなわち、θ＝０°〜１２０°の場合は、ＣＡ１＝１である。

図９（ａ）に示すように、θ＝１８０°の場合は、Ｃａ＝０．５、Ｃｂ＝０．５、Ｃｃ＝１であり、ＣＡ１＝０．７５である。すなわち、ＣＡ１は、θ＝１２０°における「１」から「０．７５」に減少する。そして、図９（ｂ）に示すように、θ＝２４０°の場合は、Ｃａ＝０、Ｃｂ＝１、Ｃｃ＝１であり、ＣＡ１＝０である。また、図９（ｃ）に示すように、θ＝３００°の場合は、Ｃａ＝０．５、Ｃｂ＝１、Ｃｃ＝０．５であり、ＣＡ１＝０．７５に戻る。

これから、図１０（ａ）に示すように、ＣＡ１と第１の円板２３の回転角θとの関係が得られる。同様にして、図１０（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＣＢ１、ＣＣ１と第１の円板２３の回転角θとの関係が得られる。ＣＢ１は、ＣＡ１に対して１２０°位相がシフトされている。ＣＣ１は、ＣＡ１に対して２４０°位相がシフトされている。

したがって、演算装置５０は、第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ１，３５Ｂ１，３５Ｃ１の容量値ＣＡ１，ＣＢ１，ＣＣ１と、第１の円板２３の回転角θとの関係から、第１の円板２３の回転角θを検知することができる。

［第２の実施形態］
本実施形態の回転検出部４０Ａは、第１の実施形態のスイッチング回路の構成を変更したものである。その他の構成は第１の実施形態と同じである。図１１は、回転検出部４０Ａの回路図、図１２は第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ２，３５Ｂ２，３５Ｃ２の回路図である。表３に示すように、このスイッチング回路は第１乃至第３のモードというスイッチング状態を有している。

（ａ）第１のモードにおいて、第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは（Ｈ，Ｌ，Ｌ）であり、第１のトランスミッションゲートＴＧａ、第２の接地トランジスタ２７ｂのみがオンする。

これにより、図１２（ａ）に示すように第１の結合キャパシタ３５Ａ２が形成される。第１の結合キャパシタ３５Ａ２は、第２のキャパシタ２６ｂに第１のキャパシタ２６ａを、共通容量電極２３ａを介して直列に接続してなり、第１のキャパシタ２６ａの第１の容量電極２４ａが共通配線３４を介してシュミット型インバータ２９の入力端子に接続される。第２の容量電極２４ｂは接地されるが、第３の容量電極２４ｃはフローティング状態であり、Ｃｃ＝０である。

したがって、第１の結合キャパシタ３５Ａ２の容量値ＣＡ２は数式７で表わされる。

ＣＡ２＝Ｃａ・Ｃｂ／Ｃａ＋Ｃｂ ・・・（７）
（ｂ）第２のモードにおいて、第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは（Ｌ，Ｈ，Ｌ）であり、第２のトランスミッションゲートＴＧｂ、第３の接地トランジスタ２７ｃのみがオンする。これにより、図１２（ｂ）に示すように第２の結合キャパシタ３５Ｂ２が形成される。第２の結合キャパシタ３５Ｂ２は、第３のキャパシタ２６ｃに第２のキャパシタ２６ｂを、共通容量電極２３ａを介して直列に接続してなり、第２のキャパシタ２６ｂの第２の容量電極２４ｂが共通配線３４を介してシュミット型インバータ２９の入力端子に接続される。第３の容量電極２４ｃは接地されるが、第１の容量電極２４ａはフローティング状態であり、Ｃａ＝０である。

第２の結合キャパシタ３５Ｂ１の容量値ＣＢ１は数式８で表わされる。

ＣＢ２＝Ｃｂ・Ｃｃ／Ｃｂ＋Ｃｃ ・・・（８）
（ｃ）第３のモードにおいて、第１乃至第３のトリガ信号Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは（Ｌ，Ｌ，Ｈ）であり、第３のトランスミッションゲートＴＧｃ、第１及び第２の接地トランジスタ２７ａ，２７ｂのみがオンする。これにより、図１２（ｃ）に示すように第３の結合キャパシタ３５Ｃ２が形成される。第３の結合キャパシタ３５Ｃ２は、第１のキャパシタ２６ａに第３のキャパシタ２６ｃを共通容量電極２３ａを介して直列に接続してなり、第３のキャパシタ２６ｃの第３の容量電極２４ｃが共通配線３４を介してシュミット型インバータ２９の入力端子に接続される。第１の容量電極２４ａは接地されるが、第２の容量電極２４ｂはフローティング状態であり、Ｃｂ＝０である。第３の結合キャパシタ３５Ｃ２の容量値ＣＣ１は数式９で表わされる。

ＣＣ２＝Ｃｃ・Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｃ ・・・（９）
＜第１の円板２３の回転角θについて＞
表４、図１３に第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ２，３５Ｂ２，３５Ｃ２の容量値ＣＡ２，ＣＢ２，ＣＣ２と、第１の円板２３の回転角θとの関係を示す。この関係は、第１の実施形態と同様の計算により得ることができる。

そして、演算装置５０は、第１の実施形態と同様に、第１乃至第３のラッチ回路３２ａ〜３２ｃにラッチされたカウンタ３１のカウント値から、第１乃至第３のモードにおけるＲＣ発振回路３６の発振周波数ＦＲＣを算出する。演算装置５０は数式６に基づいて、第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ２，３５Ｂ２，３５Ｃ２の容量値ＣＡ２，ＣＢ２，ＣＣ２を算出する。

また、演算装置５０は、第１乃至第３の結合キャパシタ３５Ａ２，３５Ｂ２，３５Ｃ２の容量値ＣＡ２，ＣＢ２，ＣＣ２と、第１の円板２３の回転角θとの関係（図１３を参照）から、第１の円板２３の回転角θを算出する。回転検出部４０の動作を周期的に行うことにより、演算装置５０は、回転角θの時間変化を検出すること、つまり、第１の円板２３の回転速度と回転方向を検出することができる。

なお、第１及び第２の実施形態は水道メータに関するものである。しかしながら、本発明の思想は、基本的には流体の流量に比例した回転速度で円板を回転させ、この円板の回転速度を検出することで流体の流量を測定するものであるので、水道メータには限らず、水道水以外の液体の流量や、気体の流量の測定装置にも広く適用することができる。

２１ 羽根車 ２２ 回転減速部 ２３ 第１の円板
２３ａ 共通容量電極 ２４ 第２の円板
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 第１乃至第３の容量電極
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ 第１乃至第３の配線
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 第１乃至第３のキャパシタ
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ 第１乃至第３の接地トランジスタ
２８ 抵抗 ２９ シュミット型インバータ
３０ ＡＮＤ回路 ３１ カウンタ
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 第１乃至第３のラッチ回路
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ 第１乃至第３のインバータ
３４ 共通配線
ＴＧａ，ＴＧｂ，ＴＧｃ、第１乃至第３のトランスミッションゲート

Claims (5)

1. 主表面に扇形状の共通容量電極と、この共通容量電極を除いた残りの主表面に配置された絶縁体部とを備える第１の円板と、
   前記第１の円板を流体の流量に比例した回転速度で回転させる回転手段と、
   前記第１の円板の主表面上に一定距離を隔てて重なるように配置され、主表面にその中心点に対して点対称に配置された扇形状の第１乃至第３の共通容量電極を備える第２の円板と、
   前記第１乃至第３の容量電極と前記共通容量電極との間にそれぞれ形成される第１乃至第３のキャパシタの容量値を検出する回転検出部と、
   前記回転検出部によって検出された前記第１乃至第３のキャパシタの容量値に基づいて前記第１の円板の回転速度を算出し、この回転速度に基づいて流体の流量を算出する演算装置と、を備えることを特徴とする流体の流量測定装置。
2. 前記回転検出部は、前記第１乃至第３のキャパシタを結合して結合キャパシタを形成するスイッチング回路と、
   前記結合キャパシタを含んで構成され、この結合キャパシタの容量値に応じて発振周波数が変化する発振回路と、
   前記発振回路の発振周波数をカウントする周波数カウンタと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体の流量測定装置。
3. 前記スイッチング回路は、第１のトリガ信号に応じて、前記第２及び第３の容量電極を接地し、前記第１の容量電極を前記発振回路の入力端子に接続することにより、第１の結合キャパシタを形成し、
   第２のトリガ信号に応じて、前記第１及び第３の容量電極を接地し、前記第２の容量電極を前記発振回路の入力端子に接続することにより、第２の結合キャパシタを形成し、
   第３のトリガ信号に応じて、前記第１及び第２の容量電極を接地し、前記第３の容量電極を前記発振回路の入力端子に接続することにより、第３の結合キャパシタを形成することを特徴とする請求項２に記載の流体の流量測定装置。
4. 前記スイッチング回路は、第１のトリガ信号に応じて、前記第２の容量電極を接地し、前記第３の容量電極をフローティング状態とし、前記第１の容量電極を前記発振回路の入力端子に接続することにより、第１の結合キャパシタを形成し、
   第２のトリガ信号に応じて、前記第１の容量電極を接地し、前記第３の容量電極をフローティング状態とし、前記第２の容量電極を前記発振回路の入力端子に接続することにより、第２の結合キャパシタを形成し、
   第３のトリガ信号に応じて、前記第１の容量電極を接地し、前記第２の容量電極をフローティング状態とし、前記第３の容量電極を前記発振回路の入力端子に接続することにより、第３の結合キャパシタを形成することを特徴とする請求項２に記載の流体の流量測定装置。
5. 前記発振回路は、ヒステリシス特性を有するシュミット型インバータ回路と、このシュミット型インバータ回路の入力端子と出力端子の間に接続された抵抗と、を備え、前記入力端子に前記結合キャパシタが接続されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の流体の流量測定装置。

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