JP2015526728A - 直読式計量装置および直読式水量計 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転軸（５）に接続されたデジタルカウントホイール（３）と、マイクロコントローラ（７）と、前記デジタルカウントホイール（３）上に同軸状に設置されたリング磁石（２）と、前記環状磁石（２）の中心軸から径方向にずらして設置されたトンネル磁気抵抗角度変位センサ（１）とを備えており、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサ（１）および前記リング磁石（２）は、前記リング磁石（２）の中心軸に平行な方向に特定の距離だけ離されており、前記マイクロコントローラ（７）は、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサ（１）へと接続され、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサ（１）の出力を読み取り可能な数字へと変換する直読式計量装置を開示する。装置は、メータの読み取り時にデジタルカウントホイール（３）の符号を決定し、これによって直接的な読み取りによる計量機能を実現できるよう、デジタルカウントホイール（３）上に設置されたリング磁石（２）の回転によって生成される回転磁界の角度を感知するためにトンネル磁気抵抗角度変位センサ（１）を使用する。この直接的な読み取りによる計量機能が、直読式水量計をもたらすために適用される。【選択図】図１

Description

本発明は、直読式計量装置に関し、とくには直読式水量計に関する。とくには、本発明は、電子直読式水量計において感知部品として用いられるトンネル磁気抵抗角度変位センサの使用に関する。

センサ技術の急速な進歩につれて、伝統的な機械式のメータは、新たな形態の電子的な読み取りによるメータへと次第に移行している。電子的な読み取りによるメータについて、２つの主要な分類が存在する。第１の分類は、インクリメンタル（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ）エンコーダまたはパルスカウンタであり、電子スイッチがセンサ部品として使用されることで、スイッチからのパルスが測定データの所定の一単位を表わし、読み取られたパルスの総数が、測定対象量の累積による読み取り値をもたらす。他の種類は、本明細書において電子直読式計量装置と称される絶対位置エンコーダである。そのようなエンコーダを実現するために、光エンコーダ技術が、パルスをカウントする必要なく測定量を直接的に読み取るために、特別なコーディング（ｃｏｄｉｎｇ）技術とともに使用されることが多い。結果として、直読式の計量の手法は、電力の印加を必要とせずに測定が可能であるなど、パルスカウント式のメータと比べていくつかの重要な利点を有する。光エンコーダ技術を利用する現在の直読式メータは、気泡、迷光、塵埃、漏れ、および他の要因に起因する累積誤差の現象を示す。

本発明の目的は、新規、先進、かつ信頼できる電子直読式水量計を提供することにある。本発明は、磁気絶対位置エンコーダ技術を使用し、光エンコーダと比べたこの手法の利点は、高い分解能、累積誤差の問題の解消、および良好な安定性であり、これにより、光エンコーダ技術の欠点が完全に解消されることにある。本発明は、回転磁界を生成するためにリング磁石が回転するデジタルカウントホイールに取り付けられているトンネル磁気抵抗角度変位センサを利用し、磁界の角度がデジタル的な測定の読み取り値を表わす基準値をもたらすために使用されることで、直接的な読み取りによる測定の機能が可能になる。

本発明の一態様は、回転シャフトへと接続されるデジタルカウントホイールを備え、マイクロコントローラを含んでいる直読式計量装置を提供する。この直読式計量装置は、
前記カウントホイール上に同軸状に設置されたリング磁石
をさらに備え、
前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、前記リング磁石の中心軸からずらして配置され、さらに前記リング磁石の中心軸に平行な方向においても前記リング磁石からずらして配置されており、
前記トンネル磁気抵抗角度変位センサの出力が、該トンネル磁気抵抗角度変位センサの出力をデジタル的な読み出しの形式へと変換するためにマイクロコントローラへと接続されている。

好ましくは、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、二軸角度変位センサを形成するようにお互いに対して９０度に向けられた２つの直交する単軸ホイートストンブリッジを備える。

好ましくは、前記リング磁石の磁化方向が、径方向または軸方向に整列される。

好ましくは、前記リング磁石から前記トンネル磁気抵抗角度変位センサまでの距離が、１〜３ｍｍであり、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサが、前記リング磁石の中心軸から径方向に３〜５ｍｍずらされている。

本発明の別の実装形態は、複数のカウントユニットとマイクロコントローラとを備える直読式計量装置を提供する。前記カウントユニットの各々は、
デジタルカウントホイールへと接続された回転シャフトと、
前記デジタルカウントホイール内に同軸状に取り付けられたリング磁石と、
前記リング磁石の軸に対してずらされたトンネル磁気抵抗角度変位センサと
を備えており、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサおよび前記リング磁石は、前記リング磁石の中心軸に平行な方向においてずらされており、
隣り同士のデジタルカウントホイールは、１：１０の相対回転比で回転し、
前記トンネル磁気抵抗角度変位センサの各々の出力は、該トンネル磁気抵抗角度変位センサの出力をデジタル読み出し形式へと変換するためにマイクロコントローラへと接続されている。

好ましくは、この直読式計量装置は、前記マイクロコントローラへと接続されたインターフェイスをさらに備える。

好ましくは、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサの各々は、二軸角度変位センサを形成するようにお互いに対して９０度に向けられた２つの直交する単軸ホイートストンブリッジを備える。

好ましくは、各々のリング磁石は、１５〜２０ｍｍの外径、２〜８ｍｍの内径、および１〜４ｍｍの厚さを有し、リング磁石の共通の中心軸に沿った方向における隣り合うリング磁石間の距離が、６〜１０ｍｍである。

好ましくは、各々のカウントユニットにおいて、前記リング磁石と前記トンネル磁気抵抗角度変位センサとの間の距離が１〜３ｍｍの間であり、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、前記リング磁石の中心軸から３〜５ｍｍの距離に位置する。

好ましくは、計量手段の直接的な読み取りが、１〜１０個のカウントユニットを備える。

本発明の別の好ましい実装形態においては、上述の直読式計量装置が、直読式水量計に含まれる。

本発明に記載の計量装置は、回転ホイールの位置を記録するために電気を必要としないという第１の利点を有する。これは、パルスの累積数をカウントするために継続的な電力を必要とする既存のインクリメンタルエンコーダ装置との相違点である。本発明は、そのトンネル磁気抵抗角度変位センサにより、実施を容易にする継続的な電力供給に頼る必要なく、ホイールの角度の絶対的な測定をもたらすことができる。第２に、インクリメンタルエンコーダの代わりにデジタルカウントホイールにもとづくデジタル絶対位置エンコーダを使用するがゆえに、紛失または余分のパルスに起因する累積誤差が解消され、第３に、水量計を形成するための複数のカウントユニットの一体化がきわめて簡単であり、第４に、高い信頼性を有し、第５に、低コストでの遠隔メータ読み取りに適している。

本発明の構造の概略図である。 本発明に用いられるリング磁石の概略図であり、回転軸に平行に整列された磁化方向を有している。 本発明に用いられるリング磁石の概略図であり、磁石の直径に沿って整列された磁化方向を有している。 トンネル磁気抵抗角度変位センサの典型的な出力のグラフである。 本発明の回路のブロック図である。

図１が、本発明の概略のブロック図を示している。図１は、磁気センサ技術を使用して実現された計量装置を概略的に示している。計量手段は、リング磁石２が同心状に取り付けられたデジタルカウントホイール３を備えており、リング磁石は、２つの磁極を有し、対角線に沿って磁化されている。トンネル磁気抵抗角度変位センサ１が取り付けられた回路板が、デジタルカウントホイールに隣接している。トンネル磁気抵抗角度変位センサ１の中心は、デジタルカウントホイールおよびリング磁石２の中心からずらされている。回転シャフトの中心が、デジタルカウントホイールの中心を通っている。デジタルカウントホイールは、フレームへと取り付けられ、トンネル角度変位センサの出力は、回路板を介してマイクロコントローラへと接続され、マイクロコントローラの出力が、メータインターフェイスに接続されている。

典型的なリング磁石２が、図２Ａに示されている。この図において、リング磁石の表面の平面の破線は、リング磁石が２つの極へと分けられることを示しており、図２Ａにおける磁化方向は平面に対して垂直である。片側において、磁化が上方２１を向いており、反対側において、磁化が下方２２を向いている。磁力線２３が、磁石の面に平行であり、上向きの磁極２１から下向きの磁極２２へと延びている。デジタルカウントホイール３が軸上で回転するため、トンネル磁気抵抗角度変位センサ１は、リング磁石２からの磁界の変化に曝される。トンネル磁気抵抗角度変位センサ１の出力が、トンネル磁気抵抗角度変位センサ１の基準方向に対するリング磁石２の角度を表わすコサイン波形を生成する。

図２Ｂが、リング磁石の磁化の別のやり方を示しており、すなわち磁化方向２５が直径に平行に並べられている。この場合、磁力線２３の方向は、極における磁化方向に対して反対向きである。

トンネル磁気抵抗は、２つの導電性強磁性体層の間の電子のスピン分極トンネリングによって生成される。２つの強磁性体層が、絶縁体または半導体のトンネルバリアによって隔てられ、この３層構造が、磁気トンネル接合と呼ばれる。一方の強磁性体層が、フリー強磁性体層と呼ばれ、その磁化は、印加される磁界の方向に平行な方向に整列される。他方の強磁性体層の磁化方向は、固定され、印加される磁界に平行に整列されるわけではない。この層は、ピン層と称される。バイアス電圧がトンネルバリア層をまたいで印加され、２つの強磁性体層の磁化が異なる方向へと回転した時、トンネル磁気抵抗角度変位センサの抵抗が、正弦波状に変化する。極値において、フリー層およびピン層の磁化方向が反対方向を向くとき、トンネル磁気抵抗角度変位センサは最大の抵抗を示し、フリー層およびピン層の磁化方向が同じであるとき、トンネル磁気抵抗角度変位センサは最小の抵抗を示す。

本発明において使用されるトンネル磁気抵抗角度変位センサの各々は、２つの磁気トンネル接合ブリッジセンサで構成される必要がある。これら２つ磁気トンネル接合ブリッジセンサのピン層の磁化方向は、ブリッジセンサによって生成されるコサイン出力を磁界の角度の計算に使用できるよう、各々がお互いに対して９０度の位相差を有する出力を生成できるように、互いに垂直に向けられなければならない。これらの２つのセンサブリッジの出力を、互いに直角な２つの単軸回転センサによってもたらすことができ、あるいは単一の二軸回転センサによってもたらすことができる。これらの型は、とりわけＭＭＡ１５３ＦおよびＭＭＡ２５３Ｆなどの代表的な型を生産しているＪｉａｎｇｓｕ ＭｕｌｔｉＤｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．によって生産される回転センサの代表である。回転センサの出力波形が、図３に示されており、図中の横軸３１は、リング磁石によって生成される磁界について、回転センサの基準軸に対する角度を表わし、波形３２がコサイン出力電圧波形を表わす一方で、波形３３がサイン出力波形である。

デジタル処理回路の考え方が、図４に示されている。ここで、マイクロコントローラ７と呼ばれる高集積度の半導体デバイスが、トンネル磁気抵抗角度変位センサの出力４１へと接続され、センサの出力は、デジタルカウントホイール３の回転角度を表わし、したがってホイールによって表わされるデジタル値を割り出すために使用することができる。このようにして、マイクロコントローラが、絶対位置エンコーダの機能をもたらす。

２つの互いに直角なトンネル磁気抵抗角度変位センサブリッジが、各デジタルカウントホイールについて使用されるため、２つの角度変位センサの出力値は、リング磁石の磁界の角度αについて、以下の関係によって表わされるコサインの関係を有する。
ＯＵＴ１＝ＣＯＳ（α）
ＯＵＴ２＝ＳＩＮ（α）
アークタンジェント関数を、ＯＵＴ１およびＯＵＴ２を使用して回転の回転角度を計算するために使用することができる。
α＝ＡＴＡＮ（ＯＵＴ２／ＯＵＴ１）。

α値は、０〜３６０度の全角度範囲を表わす。角度を数字０〜９へと写像するために、ホイールの円周を１０個の角度区間へと分解しなければならず、したがってαの範囲が、各々が個別の数字に対応する１０の区間へと分割される。

さらに、図１に示されるとおり、トンネル磁気抵抗角度変位センサは、リング磁石２、デジタルカウントホイール３、回路板４、回転シャフト５、およびフレーム６と一緒に直読式計量装置のハウジング１内に配置され、トンネル磁気抵抗角度変位センサ１は、回路板４へと接続され、リング磁石２は、デジタルカウントホイール３へと接続され、その各々が、デジタルカウントホイール３の軸回転シャフト５の周囲に同心状に配置される。

メータハウジングの内部において、リング磁石２およびデジタルカウントホイール３ならびに隣接するトンネル磁気抵抗角度変位センサ１が組み合わせられ、この組のトンネル磁気抵抗角度変位センサが、回路板４へと接続され、これらの品目の組み合わせによってカウントユニットが形成される。好ましくは、直読式計量装置は、このようなカウントユニットを１〜１０個含むことができる。隣り合うカウントユニットは、カウントホイールを１：１０の関係にて回転させる歯車機構によって接続され、すなわち最も左側のカウントホイールを最初のカウントホイールとすると、右隣のホイールは最初のホイールが１０１回転するたびに１回転し、次の右隣のホイールは１０２回転をカウントし、以下同様にして、１０個のカウントホイールが存在する場合には、最も右側のホイールは最も左側のホイールの１０１０回転を単位として表わす。

図２が、リング磁石２を示している。リング磁石は、好ましくは以下の特徴、すなわち１５〜２０ｍｍの外径、２〜８ｍｍの内径、および１〜４ｍｍの厚さを有する。

水量計においては、各々の構成要素が、好ましくは以下のやり方にてハウジングにおいて互いに離される。すなわち、隣り合うリング磁石のピッチは、６〜１０ｍｍである。トンネル磁気抵抗角度変位センサ１は、１〜３ｍｍのすき間によってリング磁石から隔てられる。さらに、トンネル磁気抵抗角度変位センサは、３〜５ｍｍの距離だけ回転シャフトの軸から外れて位置する。回転シャフトの直径は、２〜７ｍｍである。

図４に示されるとおり、トンネル磁気抵抗角度変位センサの出力が、マイクロコントローラ７の入力に接続され、マイクロコントローラ７の出力が、メータの外部インターフェイス８へと接続される。トンネル磁気抵抗角度変位センサ１、マイクロコントローラ７、およびメータインターフェイス８は、市販の構成部品であってよい。回路板は、ただ１つの二軸トンネル磁気抵抗角度変位センサ１を含むことができ、あるいは２つの単軸トンネル磁気抵抗角度変位センサ１を含むことができ、２つの単軸センサは、全角度範囲にまたがるようにホイール３に対して９０度回転させられる。

本発明は、上述の好ましい実施形態に限定されない。当業者であれば、本明細書に記載の原理に従って、本発明の種々の改変を実施することができる。したがって、本発明において説明された原理によるあらゆる改変は、本発明の範囲に包含されると理解されなければならない。

Claims (10)

1. 回転シャフト上に配置され、マイクロコントローラと組み合わせられるデジタルカウントホイールを備え、前記デジタルカウントホイール上に同軸状に設置されたリング磁石と、前記カウントホイールの回転軸からずらして配置されたトンネル磁気抵抗角度変位センサとをさらに備えており、さらに前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、前記リング磁石の中心軸に平行な方向に前記リング磁石からずらして配置されており、前記マイクロコントローラは、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサへと接続され、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサの出力をデジタル形式へと変換するために用いられる直読式計量装置。
2. 前記磁気抵抗角度変位センサは、お互いに対して直角に配置された２つの単軸トンネル磁気抵抗角度変位センサ、または二軸角度変位センサを形成するようにお互いに対して９０度に向けられた２つのホイートストンブリッジを備えている請求項１に記載の直読式計量装置。
3. 前記リング磁石と前記トンネル磁気抵抗角度変位センサとの間のすき間が、１〜３ｍｍであり、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサが、前記リング磁石の中心軸から３〜５ｍｍに位置する請求項１に記載の直読式計量装置。
4. 複数のカウントユニットと、マイクロコントローラとを備えており、前記カウントユニットの各々は、回転シャフトへと接続されたデジタルカウントホイールと、前記デジタルカウントホイール上に同軸状に取り付けられたリング磁石と、前記リング磁石の中心軸からずらされた位置に設置されたトンネル磁気抵抗角度変位センサとを備え、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、前記リング磁石の中心軸に平行な方向においても前記リング磁石から離されており、さらに隣り同士のカウントユニットの前記デジタルカウントホイールは、それぞれ１：１０の回転比で回転し、前記マイクロコントローラは、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサの各々へと接続され、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサの出力をデジタル読み出し形式へと変換する、直読式計量装置。
5. 前記マイクロコントローラへと接続されたインターフェイスをさらに備える請求項４に記載の直読式計量装置。
6. 前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、お互いに対して直角に配置された２つの単軸角度変位センサ、または二軸角度変位センサを形成するようにお互いに対して９０度回転させられた２つのホイートストンブリッジで構成される請求項４に記載の直読式計量装置。
7. 前記リング磁石が、１５〜２０ｍｍの外径、２〜８ｍｍの内径、および１〜４ｍｍの厚さを有し、該リング磁石の中心軸の方向に沿った隣り合うリング磁石間の間隔が、６〜１０ｍｍである請求項４に記載の直読式計量装置。
8. 各々のカウントユニットにおいて、前記リング磁石と前記トンネル磁気抵抗角度変位センサへとの間のすき間が１〜３ｍｍであり、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサが、前記リング磁石の中心軸から３〜５ｍｍに位置している請求項４に記載の直読式計量装置。
9. １〜１０個のカウントユニットを備えている請求項４に記載の直読式計量装置。
10. 水量計に備えられた請求項１および４に記載の直読式計量装置。

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