JPS6255602B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はメータ針の如き回転軸を中心に回転す
る物体の指し示す方向を遠隔的に測定あるいは読
み取る装置に関する。より詳しくは、メータ針に
隣接して配置され合成電場または合成磁場を生成
しその最大強さを示す合成ベクトルが回転するよ
うに、多相電圧源あるいは電流源に接続された複
数個の電極片の配列または磁極片の配列に関す
る。

従来技術として米国特許第3500365号、米国特
許第4007454号等が示される。これら先行技術の
特許明細書には、例えば電力会社から各需要者へ
供給された電力を各需要者がいかほど使用したか
を遠隔的に読み取るためのシステムが開示されて
いる。特に電力消費量を示すメータ針の指し示す
方向を遠隔的に読み取るための検出装置が開示さ
れている。

この検出装置は、第６図および第７図に示す如
くメータ針２４の回転軸に対して垂直な平面であ
つてメータ針から少し離れてメータ針に向き合つ
た平面２２においてメータ針の回転軸に整合して
配置された中心の検出電極片１４（円形）と、前
記平面において前記検出電極片から等しい距離を
置かれかつ等間隔に配置された六個の電極片６０
〜６５（円形または矩形）と、これら六個の電極
片に接続された三相交流電圧源１１と、前記検出
電極片に接続された電位計１３とから構成されて
いる。

三相交流電圧源１１は前記平面（より詳しくは
メータ針が位置する平面付近）において前記検出
電極片１４を中心に最大電界強さを示す合成ベク
トルが回転するように前記の六個の電極片に接続
されている。即ち、六個の電極片を三組Ａ、Ｂ、
Ｃに分け各組に三相交流電圧の各相を付与するこ
とによりいわゆる回転する電場が生じる。

なお各組を構成する二つの電極片は前記検出電
極片を通る直径上に位置している。従つて各組の
電極片の間に正弦波的に変化している電界が生
じ、三組の電極片で三つの電界を生ぜしめる。こ
れら電界の方向は互いに120゜ずつずれており、
これら三つの電界は合成されて、その最大電界強
さを示す合成ベクトルの方向は前記検出電極片を
中心にして回転するのである。これを回転電場と
称している。

更に述べれば、電気力線は電極片の平面から垂
直に出て、そこから急激に曲がつて円陣配列の平
面にほぼ平行になり、対となつている電極片の方
に伸び、そしてその対の電極片に垂直に入つてい
る。かくして円陣配列の平面にほぼ平行な電気力
線部分が三対の電極片により三つ形成され、これ
らが120゜ずつ角度的に間隔を置いて交差しかつ
120゜ずつ位相がずれているとその合成電界は回
転するという理論に基づいている。

メータ針が存在しないと、検出電極片の電位は
一定であり、検出電極片に接続された電位計は変
化を示さない。ところで前記平面にメータ針を接
近させると、メータ針は回転電場（その脹らみ
部）に浸されて、回転電場を「サンプル」して、
容量結合により検出電極片に伝達し、これにより
前記電位計は変化する。合成ベクトルの方向がメ
ータ針の方向に一致したとき電位計の最大の変化
を示す。

従つて、六個の電極片のうちの一個（例えば電
極片６３）を基準電極片とし、この基準電極片の
電位の最大（この位相は三相交流電圧源によるも
のであるので既知）と前記検出電極片の電位（理
想的には正弦波的に変化する）の最大との時間差
（即ち位相差）を求めることにより基準電極片に
対してのメータ針の方向が読み取れるのである。

メータ針は導電性材料でも、誘電性材料でもよ
い。いずれにしても回転電場の影響を受けて、検
出電極片に情報を与えるのである。

なお、三相交流電圧源１１は測定しようとする
ときにスイツチ２３が入れられて交流電源から電
力を受けとりそれを三相交流に変換するものであ
る。検出電極片１４は導線１５により電位計１３
に接続されており、基準電極片６３は導線２１に
より比較器２５に接続されていて、この比較器２
５において位相差が求められる。

またメータ針の指し示す方向に限らず、回転す
る軸の回転方向あるいは回転角速度をも遠隔的に
読み取ることもできる。なお、板状指針の配向角
を求める場合は前述のとおり、一つの基準電極片
にかかる既知の正弦波電圧と検出電極片に生ずる
正弦波電圧の位相を検出すればよいのであるが、
板状指針の回転角速度および／または回転方向を
求める場合（板状指針が静止しておらず積極的に
運動している場合）、検出電極片からの出力波形
は正弦波形から歪んだものとなり、その歪みの量
および形は板状指針の回転角速度や回転方向につ
いての情報を与えているのでこれを解析すればよ
いのである。

以上、回転電場について説明して来たが、回転
磁場についても同様のことがいえる。なお、回転
磁場を生ぜしめるには六個の磁極片となしこれら
はそれぞれコイルを備えており、これらコイルに
三相交流電流源を接続する一方、検出電極片もコ
イルを備えてこれに電流計が接続される。またメ
ータ針は磁性材料からできている。

以上は、前記の特許明細書に開示されたメータ
針の方位あるいは回転軸の回転方向、角速度を遠
隔的に検出する装置の説明である。

ところで、以上の説明は電場がむらなく回転し
ているということを前提にしている。つまり、電
場の合成ベクトルは一定の大きさで、かつ一定の
角速度で回転しているということを前提にしてい
る。そうでないと、検出電極と基準電極の位相差
はメータ針の配向位置に単純に比例しないのであ
る。

ところが実際、従来の電極片配列では回転電場
にむらがあり、その故にメータ針の配向角測定で
さえも電子的手段によつて補正しなければならな
かつたのである。つまり、米国特許第3500365号
明細書に図示されている円形の電極片を６個等間
隔に円陣配列したものでは回転電場の回転は均一
ではなく、十進法表示の計器盤でメータ針が
「１」から「２」に進んだとき（即ち、36゜回転
したとき）中央の検出電極片の出力の位相差変化
は３゜〜４゜である。しかるにメータ針が「２」
から「３」へ進んだとき（即ち、更に36゜回転し
たとき）その位相差変化は約45゜であるというも
のであつた。即ち、メータ針の回転角と中央検出
電極片の出力との関連性に直線性（リニアー性）
が全くといつてよい程達成されていなかつた（全
く関連性がないというのではない）というのが実
状である。

次に米国特許第4007454号に示されている長方
形電極片（第７図の６０〜６５参照）ではややそ
の直線性は改善されているが、まだ不十分であ
り、その上、メータ針の幅が半径方向外方に向か
つて先細になつたものであるとその直線性は更に
崩れるのである。それは、メータ針が長方形電極
片に重なる重複部の面積がメータ針の角度によつ
て大きく変わるからであると考えられる。

このように前述のメータ針の遠隔的読み取り装
置にとつて、回転電場の回転を均一にすることが
重要なポイントになるのであるが、従来ではそれ
が実質的に達成されていなかつたのである。

従つて、本発明の一目的は多相電圧源に電極片
が接続されると、実質的にむら無く回転する電場
を創り出すような電極片のキヤパシタンス構成
（回転する磁場では磁極片の誘導的構成）を提供
することである。

更に本発明の目的としては、各電極片と隣接す
るメータ針との間のキヤパシタンスがほぼ正弦波
的に変化するような電極片形状を提供することで
ある。

更に他の本発明の目的としては、平面電極片を
使用してその半径方向幅が正弦波的に変化せしめ
た構成により各電極片と隣接するメータ針との間
のキヤパシタンスを正弦波的に変化せしめること
である。更に他の本発明の目的としては、一定幅
の電極片を使用してその表面高さを変化せしめた
構成により各電極片と隣接するメータ針との間の
キヤパシタンスを正弦波的に変化せしめることで
ある。

更に本発明の目的は回転する磁場についても前
記諸目的と同様のことを達成せしめることであ
る。

本発明によれば、回転電場あるいは磁場を生ぜ
しめるための電極片あるいは磁極片を弦月形（弧
状）にしてこれらを互いにさしはさまれた状態で
円陣配列となし、かかる電極片あるいは磁極片の
各々とメータ針との間の容量的結合あるいは誘導
的結合がメータ針の回転角につれて正弦的に変化
するように、電極片あるいは磁極片の形態を構成
することにより実質的にむら無く回転する電場あ
るいは磁場を得る。本発明はこのことを実験的に
見出したのである。

半径方向に伸びた対称的な板状指針（即ちメー
タ針）と電極片とがその間にコンデンサを形成す
るとして、キヤパシタンスは Ｃ＝ε（Ａ／ｓ） で与えられる（εは誘電率、Ａは有効面積、ｓは
距離）。従つて、望みの正弦波的キヤパシタンス
変化を得るには、電極片の形状をその半径方向
幅を正弦波的に変化せしめる、メータ針からの
距離を正弦波的に変化せしめる。ここで指摘され
るべきこととしては、前記のおよびは一例に
すぎず、キヤパシタンスに影響を与える介在誘電
材料を変化させるとか、他の種々な態様をも採用
できる。しかし、の態様の半径方向幅が正弦波
的に変化する平坦面電極片が有利である。なぜな
らば製作が単純でかつ装置の大きさの厚みを最小
にするからである。

以下、添附の図面を参照して本発明を具体的に
説明する。

第１図を見るに、本発明の第１の実施例の電極
片配列が示されている。本発明により弦月形にな
された六個の弦月形の電極片１２が中央の円形の
検出電極片１４の周りに円陣１０をなして支持板
２２（第２図）上に配置されている。弦月形の電
極片１２はπラジアンの弧を張つている。各電極
片の一端１７は所定の半径のところに置かれ、こ
の半径よりも大きな所定の半径のところに他端１
９が置かれている。電極片１２の中央線１６が互
いに等間隔になるように、六個の電極片１２は互
いにさしはさまれた関係で配置されている。従つ
て、円陣１０の中心からの任意の半径方向線が複
数個の電極片を通る。

電極片１２の一端１７から多端１９に伸びる中
央線１６は ｒ最小＋（ｒ最大−ｒ最小）θ／π に従うものであり、外側縁１８は ｒ最小＋（ｒ最大−ｒ最小）θ／π＋ｄ sinθ に従うものであり、内側縁２０は ｒ最小＋（ｒ最大−ｒ最小）θ／π−ｄ sinθ に従うものである。

なお、ｒ最小：一端１７における半径 ｒ最大：多端１９における半径 θ：半径方向線の方位角で０からπラジアンま
で変化する変数 ｄ：電極片の半径方向幅の最大値を決めるパラ
メータ である。

この実施例では、電極片１２は平坦であり半径
方向幅が角θの正弦に比例して変化している。

次に第３図、第３ａ図および第３ｂ図を参照し
て本発明による他の実施例の電極片の円陣配列を
説明する。この実施例では電極片３２は弦月形状
であるが一定の半径方向幅を有しており、その代
り高さが内端３３から始まつてピーク１４まで隆
起し、そして再び低くなり外端３５に終つてい
る。この高さの変化はゼロからπラジアンまで変
化する角θの正弦に比例している。つまりメータ
針から電極片３２の表面までの距離が１／sinθ
の関数に従つている。この円陣配列の中心に配置
されている中央の一個の検出電極片３０は第１図
のものと同様に円形でありかつ平らである。

なお、第１図または第３図に示した電極片配列
を有する支持板２２は、第２図に示す如く、検出
電極片がメータ針の回転軸に整合するように向き
合つて極く接近して配置される。メータ針は円陣
配列の平面に平行な一平面内で回転する。六個の
電極片には前記特許で述べた態様で三相交流電圧
源を接続する。検出電極片には電位計を接続す
る。またメータ針は導電材または誘電材からなつ
ている。

第１図および第３図は本発明による好ましい電
極片形状を示すが、介在する誘電材料等を正弦波
的に変化させることによつても、むら無く回転す
る電場を創生するに必要な容量結合を達成するこ
とができる。また、第１図および第３図の組合せ
として、電極片に幅を変化させかつメータ針から
の距離をも変えることによつても実施できる。そ
の際、幅と表面高さとの比が方位角θの正弦に比
例するように幅と表面高さとを関連せしめて共に
変化させる。

本発明により、実質的にむら無く回転する電場
が得られる。

従つて、電場の回転に応じてメータ針の電位が
実質的に正弦波的に変化し、選択した一個の電極
片（基準電極片）の電位の位相とメータ針の電位
の位相との位相差は基準電極片に対するメータ針
の角度位置に実質的に比例する（前記角度位置の
一次関数）のである。従つて、従来の如く補正の
ための電子手段を必要とすることなく、メータ針
の位置を読み取ることができるのである。

事実、実験により、板状指針がその任意位置で
複数の電極片をも同時にかぶさり、その重複部の
面積比が回転角θの正弦に比例して変化していく
ようにすることで、板状指針の回転角の変化に対
して中央の検出電極片の出力の変化は98％以上よ
りも良好な直線性を有する比例関係があるという
ことが証明された。

本発明でいう回転電場を電気力線等で説明する
ことは非常に複雑であり困難である。そこで逆説
的に述べる。先ず、板状指針が完全に一様に回転
している電界内にあると、この板状指針の回転角
と中央検出電極片の位相差（基準電極片に対す
る）とが完全に比例するということは理解されよ
う。さて逆に板状指針の回転角と中央検出電極片
の位相差（基準電極片に対する）とが完全に比例
していると、この板状指針は完全に一様に回転し
ている電界内にあると考えざるを得ないであろ
う。そこで本発明の場合、比例関係は100％完全
なものではないが98％より以上良好なものである
ので、板状指針は実質的にむら無く回転する電場
内にあると考えられる。即ち、本発明による電極
片配列はその平面に隣接して実質的にむら無く回
転する電場を生ぜしめているということになる。

電極片について前述したことは、むら無く回転
する磁場を生ぜしめるためにも適用できる。な
お、回転する磁場に対してはメータ針は磁性材料
からなる。

さて、第４図および第４ａ図は第１図に示す実
施例の電極片１２の形状を採用した磁極片５２か
ら構成された円陣配列５０を示す。なお、六個の
磁極片５２はそれぞれコイル５４を有して、これ
ら六個のコイル５４に三相交流電流源が従来の如
く（つまり回転磁場を生成すべく）接続される。
各コイル５４によつて発生した磁力が有効に各磁
極片５２に導かれるべく適当な磁性体材料がコイ
ルと磁極片との間に設けられている。

第５図および第５ａ図は第３図に示す実施例の
電極片３２の形状を採用した磁極片５２ａから構
成された円陣配列を示す。

なお、第４図および第５図の磁極片５２の円陣
配列５０の中心には、図示していないが平らな円
板状の検出磁極片が配置されている。この検出磁
極片もコイルを備えている。このコイルに電流計
が接続されている。

なお、この検出磁極片に磁性材料からなるメー
タ針が磁気的に結合されていて、メータ針に磁束
の変化に応じて検出磁極片の磁束が変化し、この
磁束の変化で検出磁極片のコイルに電流が流れ
る。この電流を検出し、その正弦波と基準磁極片
（選択した一個の磁極片）のコイルの電流の正弦
波とを比較することにより、メータ針の位置を読
み取ることができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電極片の円陣配列
を示す平面図である。第２図は第１図の電極片の
円陣配列とメータ針との関係を示す側面図であ
る。第３図は本発明の他の実施例の電極片の円陣
配列を示す平面図である。第３ａ図は、第３図の
３ａ−３ａ線に沿う断面を示す断面図である。第
３ｂ図は、第３ａ図と同様の断面図であるが、一
つの電極のみを示す図である。第４図は本発明の
他の実施例の磁極片の円陣配列を示す平面図であ
る。第４ａ図は、第４図の磁極片の円陣配列の側
面図である。第５図は、本発明の更に他に実施例
の磁極片の円陣配列を示す平面図である。第５ａ
図は、第５図の５ａ−５ａ線に沿う断面を示す断
面図である。第６図および第７図は従来の電極片
配列を示すと共に、その電極片配列を用いた遠隔
測定の基本的電気回路を示すブロツク図である。 なお、参照符号１０は電極片の円陣配列、１２
および３２は電極片、１４および３０は検出電極
片、２２は支持板、２４はメータ針、５０は磁極
片の円陣配列、５２および５２ａは磁極片を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質的に一平面に配置され間隔を置かれて不
   連続の円陣に配列された弧状形状の電極からなる
   円陣配列を有し、この円陣配列の中心からの任意
   の半径方向線が複数個の電極に交差するように前
   記電極は互いにさしはさまれており、前記電極は
   更に、多相電圧源に接続されて最大電界強度を示
   す合成ベクトルが回転する電界を前記円陣配列の
   平面に隣接した空間に形成し、前記電界内に配置
   されて半径方向に伸びた対称的な板状指針を具備
   し、この板状指針は前記円陣配列の平面に平行な
   所定の平面内で旋回し、前記電界は前記板状指針
   上に時間とともに実質的に正弦波的に変化する合
   成信号を生ぜしめ、かくして前記電極の任意の一
   個にかかる前記多相電圧源の電圧の位相と前記合
   成信号の位相との間の位相差が、前記の任意の一
   個の電極に対する前記板状指針の角度位置の実質
   的な一次関数であるようにしたことを特徴とする
   板状指針の配向角、速度および／または回転方向
   を遠隔的に測定するための装置。 ２ 前記電極の形状は前記円陣配列の中心から任
   意の半径方向線に沿つての電極幅と前記円陣配列
   の前記平面に平行な前記の所定の平面から前記電
   極の表面までの距離との比が前記半径方向線の方
   位角の正弦に比例するようになつている特許請求
   の範囲第１項記載の板状指針の配向角、速度およ
   び／または回転方向を遠隔的に測定するための装
   置。 ３ 前記電極の表面は円陣配列の平面に平行な一
   平面に配置されており、かくして任意の電極にお
   けるすべての点での表面の高さが一定であり、円
   陣配列の中心からの任意の半径方向線に沿う各電
   極幅が前記半径方向線の方位角の正弦に比例する
   ようになつており、かつ前記電極の各々が円陣配
   列の中心に対して張る角はπラジアンである特許
   請求の範囲第２項記載の板状指針の配向角、速度
   および／または回転方向を遠隔的に測定するため
   の装置。 ４ 各電極の両側縁が ｒ外＝ｒ最小＋（ｒ最大−ｒ最小）θ／π＋ｄ
   sinθ ｒ内＝ｒ最小＋（ｒ最大−ｒ最小）θ／π−ｄ
   sinθ ただし、ｒ外：電極により張られる弧内におけ
   る任意角θ（０θπ）において円陣配列の中
   心から電極の外側縁までの半径距離、 ｒ内：電極により張られる弧内における任意角
   θ（０θπ）において円陣配列の中心から電
   極の内側縁までの半径距離、 ｒ最小：θ＝０においてｒ外とｒ内の曲線が一
   致する点の円陣配列の中心からの半径距離、 ｒ最大：θ＝πにおいてｒ外とｒ内の曲線が一
   致する点の円陣配列の中心からの半径距離、 θ：ラジアンで示される測定点の方位角、 ｄ：電極の最大幅を決めるパラメータ、 で示される曲線に実質的に一致する特許請求の範
   囲第３項記載の板状指針の配向角、速度および／
   または回転方向を遠隔的に測定するための装置。 ５ 実質的に一平面に配置され間隔を置かれて不
   連続の円陣に配列された弧状形状の磁極片からな
   る円陣配列を有し、この円陣配列の中心からの任
   意の半径方向線が複数個の磁極片に交差するよう
   に前記磁極片は互いにさしはさまれており、前記
   磁極片のコイルは、更に多相電流源に接続されて
   最大磁界強度を示す合成ベクトルが回転する磁界
   を前記円陣配列の平面に隣接した空間に形成し、
   前記磁界内に配置されて半径方向に伸びた対称的
   な板状指針を具備し、この板状指針は前記円陣配
   列の平面に平行な所定の平面内で旋回し、前記磁
   界は前記板状指針上に時間とともに実質的に正弦
   波的に変化する合成信号を生ぜしめ、前記磁極片
   の任意の一個にかかる前記多相電流源の電流の位
   相と前記合成信号の位相との間の位相差が、前記
   の任意の一個の磁極片に対する前記板状指針の角
   度位置の実質的な一次関数であるようにしたこと
   を特徴とする板状指針の配向角、速度および／ま
   たは回転方向を遠隔的に測定するための装置。 ６ 磁極片の形状は、前記円陣配列の中心から任
   意の半径方向線に沿つての磁極片の半径方向幅と
   前記円陣配列の前記平面に平行な前記の所定の平
   面上の磁極片の表面高さとの比が前記半径方向線
   の方位角の正弦に比例するようになつている特許
   請求の範囲第５項記載の板状指針の配向角、速度
   および／または回転方向を遠隔的に測定するため
   の装置。 ７ 前記諸磁極片の表面は前記配列の平面に平行
   な一平面に配置されており、かくして任意の磁極
   片における全ての点での表面高さが一定で、円陣
   配列の中心からの任意の半径方向線に沿う各磁極
   片の幅が前記半径方向線の方位角に比例するよう
   になつており、かつ前記磁極片の各々が円陣配列
   の中心に対して張る角はπラジアンである特許請
   求の範囲第６項記載の板状指針の配向角、速度お
   よび／または回転方向を遠隔的に測定するための
   装置。 ８ 各磁極片の両側縁が ｒ外＝ｒ最小＋（ｒ最大−ｒ最小）θ／π＋ｄ
   sinθ ｒ内＝ｒ最小＋（ｒ最大−ｒ最小）θ／π−ｄ
   sinθ ただし、ｒ外：磁極片により張られる弧内にお
   ける任意角θ（０θπ）において円陣配列の
   中心から磁極片の外側縁までの半径距離、 ｒ内：磁極片により張られる弧内における任意
   角θ（０θπ）において円陣配列の中心から
   磁極片の内側縁までの半径距離、 ｒ最小：θ＝０においてｒ外とｒ内の曲線が一
   致した点の円陣配列の中心からの半径距離、 ｒ最大：θ＝πにおいてｒ外とｒ内の曲線が一
   致した点の円陣配列の中心からの半径距離、 θ：ラジアンで示される測定点までの方位角、 ｄ：磁極片の最大幅を決めるパラメータ、 で示される曲線に実質的に一致する特許請求の範
   囲第７項記載の板状指針の配向角、速度および／
   または回転方向を遠隔的に測定するための装置。 ９ 前記磁極片、板状指針および介在媒体は、前
   記磁極片が前記多相電流源に接続されたとき、正
   弦波的に変化する磁気結合をそれらの間に生ぜし
   めるべく特性を有する特許請求の範囲第５項記載
   の板状指針の配向角、速度および／または回転方
   向を遠隔的に測定するための装置。