JP2020098134A - 流量センサ - Google Patents
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Abstract
Description
出願人も、この楕円歯車流量センサに流量計測機器を組み合わせた楕円形歯車式流量計を製造販売している。
特許文献2と特許文献3には、光学式流量センサに関する技術が開示されている。
特許文献4と特許文献5には、磁気式流量センサに関する技術が開示されている。
非特許文献1には、本発明の従来技術に相当する、楕円歯車流量センサの動作原理が開示されている。
隔壁によって隔てられた回転体の回転を非接触で検出するには、隔壁を通過する媒体を使用する。その媒体として、前述の特許文献2及び3に開示されるように光を用いる方法と、前述の特許文献4及び5に開示されるように磁力を用いる方法がある。
楕円歯車1301の片面には、鋸歯状の反射板1302が貼り付けられている。この反射板1302に図示しない隔壁を通じて光を照射し、その反射光を、図示しない隔壁を通じて光センサ1303で受光する。光センサ1303は、反射板1302の円周に形成されている鋸歯状突起によって、概ね矩形波状の光の強弱を検出する。
図13に示す光検出方式の楕円歯車流量センサには、流体内に塵埃が混じっている場合に、反射板1302に塵埃が付着して光センサ1303の検出信号に影響が生じるという問題が発生する。また、流体内に混じっている塵埃が楕円歯車1301の回転にも影響を与えるという欠点もある。また、流体が光を遮る粉体である場合には、光センサ1303を用いることは不可能である。
楕円歯車1401の片面には、小さい磁石1402が埋め込まれている。この磁石1402から生じる磁界を図示しない隔壁を通じて、ホール素子等の磁気センサ1403で受信する。磁気センサ1403は、磁石1402が近接している時と離間している時とで異なる電圧レベルの信号を出力する。
図14に示す磁気検出方式の楕円歯車流量センサには、流体内に砂鉄等の強磁性塵埃が混じっている場合に、磁石1402に塵埃が付着して磁気センサ1403の検出信号に影響が出るという問題が発生する。また、強磁性の塵埃が楕円歯車1401の回転にも影響を与えることも起こり得る。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図1は、本発明の第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ101の概略図である。
図2は、楕円歯車流量センサ101の分解斜視図である。
図1及び図2に示すように、本発明の第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ101は、第一楕円歯車102a及び第二楕円歯車102bと、第一楕円歯車102a及び第二楕円歯車102bを収容すると共に流体が通過する筐体103と、筐体103内の第一楕円歯車102a及び第二楕円歯車102bを封止する隔壁104と、隔壁104の外側に貼り付けられる第一空芯コイル105a及び第二空芯コイル105bで構成される。
なお、これ以降、第一楕円歯車102a及び第二楕円歯車102bを区別しない場合には、楕円歯車102と呼ぶ。同様に、これ以降、第一空芯コイル105a及び第二空芯コイル105bを区別しない場合には、空芯コイル105と呼ぶ。
作動室103aの周縁部分には、隔壁104と密着させるための図示しないパッキンが装着される円周状の溝103bが設けられている。
空芯コイル105は、発振回路108の一部を構成する。そして、発振回路108の出力信号は周波数電圧変換回路(以下「FV変換回路」と略す、図1も同様。)109に供給される。FV変換回路109は発振回路108の出力信号の周波数の変化を電圧の変化に変換して、周波数変動信号を出力する。FV変換回路109が出力する周波数変動信号を、例えばマイコンのアナログ入力端子に入力させて、電圧の変化を検出することで、楕円歯車102の回転を検出する(図4にて後述)。
楕円歯車102の回転を検出する媒体として電磁誘導を利用するため、導体箔201はアルミ箔や銅箔等の金属箔が好ましい。楕円歯車流量センサ101に通す流体の性質によっては、流体による導体箔201の腐食を防ぐために、銅箔にはメッキ処理を施す他、合成樹脂等でコーティングする等の腐食対策が必要になる。一方、隔壁104は電磁誘導を邪魔しないために、合成樹脂やセラミック等の絶縁体である必要がある。なお、楕円歯車102は高い精度を達成するために炭素繊維強化プラスチックで構成されている。炭素繊維強化プラスチックは電気伝導性を有するが、金属箔で形成される導体箔201よりも抵抗率が高いので、楕円歯車102は導体箔201と比較して渦電流が生じ難い。
図3Aは、楕円歯車102の斜視図である。図3Bは、導体箔201の拡大図である。
図3Aに示すように、前述の通り、楕円歯車102には導体で形成された渦巻き状の形状を有する導体箔201が貼付されている。この導体箔201は、図3Bに示すように、機械部品のカムに似た、不連続な切り欠き201aを有する。導体箔201は、半径が最小の位置P301から徐々に大きくなって、最大半径の位置P302に至ったら切り欠き201aの部分で最小半径に至る構造となっている。
図4は、楕円歯車流量センサ101に使用される発振回路108の一例と、後続する信号処理を示すブロック図である。
発振回路108は、周知のコルピッツ発振器で構成される。
DC電源E401のプラス側ノードには、NPNトランジスタであるトランジスタ402のベースと、空芯コイル105の一端が接続されている。
トランジスタ402のコレクタには、空芯コイル105の他端と、コンデンサC404の一端が接続されている。
トランジスタ402のエミッタには、コンデンサC404の他端と、コンデンサC405の一端と、抵抗R406の一端が接続されている。
コンデンサC405の他端と、抵抗R406の他端は接地されており、接地ノードを通じてDC電源E401のマイナス側ノードと接続されている。
トランジスタ402のエミッタは、コルピッツ発振器の発振信号出力端子となる。
図4に示す発振回路108の周波数fは、空芯コイル105のインダクタンス(誘導係数)をL403として、以下の式で求められる。
導体箔201に発生する渦電流によるエネルギー損失、すなわち空芯コイル105に生じるエネルギーの損失は、空芯コイル105と導体箔201が交わる面積の大小に応じて上下する。このエネルギー損失の上下は、空芯コイル105のインダクタンスの上下に通じる。したがって、導体箔201の回転位置に応じて、発振回路108が出力する信号の周波数が上下する。
また、発振回路108に使用するトランジスタ402は、例えば2SC1815等の、安価で容易に入手可能な汎用小信号バイポーラトランジスタが利用可能である。すなわち、図4において使用する回路素子に、特殊な性能を要求するような高価なものは不要である。
なお、FV変換回路109が出力する周波数変動信号における出力電圧の正確性は余り問わない。この理由については後述する。
図5A、図5B、図5C及び図5Dは、楕円歯車流量センサ101に流体が流入する過程と、楕円歯車102と共に導体箔201が回転する様子を示す図である。
図5Aに示す様に、矢印R501方向から流体F502が楕円歯車流量センサ101の作動室103aに流入すると、流体F502の流入側(第一出入口106)と吐出側(第二出入口107)に圧力差が生じる。この圧力差が第二楕円歯車102bに印加されることで、第二楕円歯車102bは反時計回りに回転する。すると、図5Bに示す様に、流体F502は作動室103aの内壁と第二楕円歯車102bとの間に形成される計量空間A503に閉じ込められる。
一方、第一楕円歯車102aも圧力差によって時計回りに回転する。すると、図5Cに示す様に、第一楕円歯車102aの回転力によって、計量空間A503に閉じ込められた流体F502は、吐出側へ流出する。以上の動作が第一楕円歯車102aと第二楕円歯車102bに交互に作用することで、楕円歯車102の回転に伴う流体F502の計量が実現できる。
図5Aの時点では、第二楕円歯車102bに貼付されている導体箔201の、空芯コイル105の円周範囲内に含まれている箇所の面積A504が最大に等しい。この、面積A504は、図5B、図5Cと第二楕円歯車102bが回転するに連れて小さくなり、図5Dの時点が最小になる。
図4で説明したように、コルピッツ発振器である発振回路108の一部を構成する空芯コイル105には凡そ1〜10MHz程度の高周波磁界が発生する。この空芯コイル105に、導体である導体箔201が近接すると、空芯コイル105から発生する高周波磁界M601によって、導体箔201に渦電流I602が生じる。この渦電流I602は熱となって、空芯コイル105に対してエネルギー損失を生じさせる。このエネルギー損失の大小によって、空芯コイル105のインダクタンスは上下する。すると、発振回路108の発振周波数も上下する。
このグラフにおける電圧値は、発振回路108が出力する高周波信号の周波数に応じて変化する。そして、この電圧値は、図5の面積A504の大きさにも相当する。
すなわち、面積A504が小さいと、渦電流損失が小さくなるので、空芯コイル105のインダクタンスは大きくなり、発振回路108が出力する高周波信号の周波数が低くなる(時点T701)。
逆に、面積A504が大きいと、渦電流損失が大きくなるので、空芯コイル105のインダクタンスは小さくなり、発振回路108が出力する高周波信号の周波数が高くなる(時点T702)。
したがって、図7のグラフ中、ボトム値を示す箇所、すなわち渦電流損失が最も小さい箇所である時点T701が図5Dに相当し、ピーク値を示す箇所、すなわち渦電流損失が最も大きい箇所である時点T702が図5Aに相当する。
このように、回転体が1回転する際にピーク値を示す箇所とボトム値を示す箇所がそれぞれ1箇所ずつ存在する。これらの位置信号は、ロータリエンコーダにおけるインデックスパルスに相当するものである。
このように、流量積算装置407ではピーク値とボトム値を検出できればよい、すなわち相対的な値の大小さえわかればよいので、FV変換回路109の正確性は問わない。
また、図7のグラフを見ると、楕円歯車102の回転角度に対し、FV変換回路109の出力電圧が概ね線形の対応関係になっている。このことから、FV変換回路109から出力される周波数変動信号をA/D変換した値を記憶することで、楕円歯車102の凡その回転角度を推測することが可能である。
したがって、FV変換回路109は必ずしも必須の構成要件ではない。
図8は、本発明の第二の実施形態に係る楕円歯車流量センサにおける、第一楕円歯車102a及び第二楕円歯車102bの拡大図である。
第二の実施形態に係る楕円歯車流量センサの機構部分は、第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ101と同一である。唯一、第一楕円歯車102a及び第二楕円歯車102bに貼付されている導体箔801a及び801bの形状が異なる。
図8に示す、第一楕円歯車102aに貼付されている導体箔801a及び、第二楕円歯車102bに貼付されている導体箔801bは、第一の実施形態における導体箔201とは異なり、円周方向に等間隔で複数個設けられる、歯車状の突起802が形成されている。なお、これ以降、導体箔801aと導体箔801bを区別しない時は導体箔801と称する。
空芯コイル105は、導体箔801に形成されている突起802を検出するように形成され、配置される。
空芯コイル105は、図4に示す第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ101と同じ、発振回路108の一部分を構成する。そして、発振回路108の出力信号は図4に示す第一の実施形態に係る楕円歯車流量センサ101と同様、FV変換回路109に供給され、周波数変動信号に変換される。
図8に示す導体箔801は、6個の突起802を有する。第一空芯コイル105a及び第二空芯コイル105bは、FV変換回路109から得られる周波数変動信号の電気角が概ね90°の位相差を形成するように配置される。
導体箔801が突起802を有する歯車形状であるため、空芯コイル105の円周範囲内に突起802が含まれているときには、発振回路108の出力信号の周波数は高くなり、FV変換回路109の周波数変動信号の電圧は高くなる。逆に、空芯コイル105の円周範囲内に突起802が含まれていないときには、発振回路108の出力信号の周波数は低くなり、FV変換回路109の周波数変動信号の電圧は低くなる。
これより、第一の実施形態及び第二の実施形態にて開示した導体箔の変形例を示す。
図10Aは、第一の実施形態の変形例に係る導体箔円板1001の上面図である。
図10Bは、導体箔円板1001が装着された楕円歯車102の上面図である。
図10A及び図10Bでは、導体箔及び楕円歯車102の上面図のみが示されているが、図10Aに示す導体箔円板1001は、例えば約0.5〜1.0mm程度の厚みを有する、アクリル等の耐薬品性を有する合成樹脂の円板1002に、アルミ箔或は金メッキされた銅箔等よりなる導体箔1003を貼付した構成である。
図10Cに示す導体箔円板1011は、第一の実施形態に係る導体箔201に類似する。この図10Cに示す導体箔の形状は、黒色に塗り潰した箇所1014を導体箔で形成しても、白色の箇所1013を導体箔で形成しても、どちらでもよい。合成樹脂の円板1002に導体箔を貼付するので、どのような形状でも実現可能である。
第二の実施形態における導体箔801は歯車状の形状であったが、図10Dに示す導体箔円板1021に貼付されている導体箔1023は、略台形形状の穴(欠損部1024)が等間隔に開けられている。すなわち、導体箔の形状に求められる要素は、円周方向に等間隔で複数箇所設けられる突起ではなく、円周方向に等間隔で複数箇所設けられる欠損部1024を有することである。
勿論、図10Dの導体箔円板1021においても、図10Cと同様に、導体箔の形状は、黒色に塗り潰した箇所(欠損部1024)を導体箔で形成しても、白色の箇所(導体箔1023)を導体箔で形成しても、どちらでもよい。黒色の箇所、白色の箇所のどちらが導体箔で形成されているとしても、円周方向に等間隔で複数箇所設けられる欠損部を有する、という特徴は等しい。
図11Aは、本発明の第三の実施形態に係る導体箔円板1101の上面図である。
図11Bは、導体箔円板1101と空芯コイルの配置関係を示す概略図である。
図11A及び図11Bでは、導体箔円板1101の上面図のみが示されているが、図10Aに示す導体箔円板1101は、例えば約0.5〜1.0mm程度の厚みを有する、アクリル等の耐薬品性を有する合成樹脂の円板1102に、アルミ箔或は金メッキされた銅箔等よりなる導体箔1103を貼付した構成である。
この時点T1201は、第一空芯コイル1104aと導体箔1103が重なる面積が最も大きい時点である。このため、第一空芯コイル1104aが接続されているFV変換回路109が出力する周波数変動信号は最大値を示す。
一方、時点T1201は、第二空芯コイル1104bと導体箔1103が重なる面積が概ね半分である時点である。このため、第二空芯コイル1104bが接続されているFV変換回路109が出力する周波数変動信号は、中間値を示す。周波数変動信号のAC成分だけを見ると、ゼロクロスに相当する。
この時点T1202は、第一空芯コイル1104aと導体箔1103が重なる面積が概ね半分である時点である。このため、第一空芯コイル1104aが接続されているFV変換回路109が出力する周波数変動信号は、中間値を示す。周波数変動信号のAC成分だけを見ると、ゼロクロスに相当する。
一方、時点T1202は、第二空芯コイル1104bと導体箔1103が重なる面積が最も小さい時点である。このため、第二空芯コイル1104bが接続されているFV変換回路109が出力する周波数変動信号は最小値を示す。
この時点T1203は、第一空芯コイル1104aと導体箔1103が重なる面積が最も小さい時点である。このため、第一空芯コイル1104aが接続されているFV変換回路109が出力する周波数変動信号は最小値を示す。
一方、時点T1203は、第二空芯コイル1104bと導体箔1103が重なる面積が概ね半分である時点である。このため、第二空芯コイル1104bが接続されているFV変換回路109が出力する周波数変動信号は、時点T1201と同様に中間値を示す。
この時点T1204は、第一空芯コイル1104aと導体箔1103が重なる面積が概ね半分である時点である。このため、第一空芯コイル1104aが接続されているFV変換回路109が出力する周波数変動信号は、時点T1202と同様に中間値を示す。
一方、時点T1204は、第二空芯コイル1104bと導体箔1103が重なる面積が最も大きい時点である。このため、第二空芯コイル1104bが接続されているFV変換回路109が出力する周波数変動信号は最大値を示す。
そして、時点T1204を過ぎた後は再び時点T1201に戻って、同様の動作を繰り返す。
サイン波状の交流成分を含む脈流である周波数変動信号に対し、周知の移動平均等で平均電圧を取得する。そして、周波数変動信号と平均電圧をコンパレータに通すと、図12Bに示すような矩形波が得られる。このパルスはそのまま周知のA相B相パルスとして、楕円歯車の回転数及び回転方向を取得することが可能である。
<1>
第一楕円歯車と、
前記第一楕円歯車と同一の形状であり、前記第一楕円歯車と嵌合する第二楕円歯車と、
円周方向の一部に不連続な箇所を有し、少なくとも前記第一楕円歯車と前記第二楕円歯車の何れか一方の側面に貼付され、前記第一楕円歯車と前記第二楕円歯車の回転と共に回転駆動される、導体よりなる薄板と、
前記第一楕円歯車及び前記第二楕円歯車を回転可能に収容する空間を有し、この空間を流体が通過することによって前記第一楕円歯車及び前記第二楕円歯車が回転する作動室を含む筐体と、
前記筐体から前記流体の漏出を防ぐ、絶縁体よりなる隔壁と、
前記隔壁を介して前記薄板に近接して設けられる空芯コイルと、
前記空芯コイルが発振周波数を決定する要素となる発振回路と
を具備する、流量センサ。
<2>
前記薄板は円周方向に偶数にて等分割し、前記等分割された領域に導体を交互に設けた形状である、<1>に記載の流量センサ。
<3>
前記薄板は半円形状である、<2>に記載の流量センサ。
<4>
前記薄板は、前記第一楕円歯車及び/または前記第二楕円歯車の前記隔壁に相対する側面に、前記第一楕円歯車及び/または前記第二楕円歯車と同一の材質にて一体的に形成されている、<3>に記載の流量センサ。
<5>
前記薄板は、円周方向に半径が増加して一部に不連続な箇所を有する略螺旋状の形状を有する、<1>に記載の流量センサ。
<6>
前記薄板は、円周方向に等間隔で複数箇所設けられる欠損部を有する、<1>に記載の流量センサ。
本発明の実施形態の楕円歯車流量センサ101では、角度位置によって半径が異なり、不連続な切り欠き201aを有する導体で形成された螺旋状の導体箔201を、楕円歯車102に貼付する。そして、隔壁104を介して発振回路108の一部を構成する空芯コイル105を配置する。楕円歯車102が流体の流れに呼応して回転すると、楕円歯車102の角度位置によって、導体箔201の、空芯コイル105の円周範囲内に含まれている箇所の面積A504が増減する。面積A504の増減に呼応して、発振回路108が出力する信号の周波数も増減する。信号をFV変換回路109で周波数変動信号に変換した後、マイコン等で構成する流量積算装置407にて、導体箔201の不連続な切り欠き201aに相当する、信号の時間軸上の位置を検出する。
また、本発明の第一の実施形態に係る導体箔201を用いれば、従来技術と比べ、楕円歯車1個分の信号で、流体の流れる方向を検出できる。
更に、導体箔201は円周方向の不連続性を確保する切り欠き201aさえ形成できればよい。空芯コイル105は導体箔201の、円周方向の不連続性を検出さえできればよい。すなわち、空芯コイル105と導体箔201、そして発振回路108とFV変換回路109は、回転の検出に特段の精度を必要としない。このため、従来の他の検出方式と比べて極めて安価に構成することが可能である。
Claims (8)
- 流体の圧力により回転する単一または複数の回転体と、
前記回転体を回転可能に収容する空間を有し、この空間を流体が通過することによって、
前記回転体が回転する作動室を含む筐体と、
前記筐体から流体の漏出を防ぐ隔壁と、
単一または複数の被検出部をなす前記回転体の回転様相を検出するコイルと
を有する流量センサ。 - 前記回転体の回転被検出部として、薄板を回転体側面に貼付または形成した、
請求項1に記載の流量センサ。 - 前記回転体側面の回転被検出部として、回転の円周方向に等分割し、前記等分割された間隔で導体材質部を配置した形状を有する、
請求項1または2に記載の流量センサ。 - 前記回転体側面の回転被検出部は、円周方向に半径が増加して一部に単一または複数の不連続な箇所を有する略螺旋状の形状を有する、
請求項1または2に記載の流量センサ。 - 前記回転体側面の回転被検出部として、同一の材質にメッシュ状またはスリット状の加工を施した、
請求項1または2に記載の流量センサ。 - 前記回転体が、同一の歯車形状であり、嵌合しあう二つの歯車からなる、
請求項1に記載の流量センサ。 - 増加函数か、減少函数かを検出することにより流量の方向判別を可能にした、
請求項3または4に記載の流量センサ。 - 流体圧力により回転する回転体の周辺に歯車様の形状を設けることにより高分解能の流量計測を可能にした、
請求項1に記載の流量センサ。
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Citations (5)
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2018
- 2018-12-18 JP JP2018236176A patent/JP2020098134A/ja active Pending
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