JP2018059811A - 流体計測回転計 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の全周にわたって回転方向を検出できるようにし、被計測流体の流量や流速などの計測精度を高める。【解決手段】羽根車の回転に伴ってその方向が変化する磁界内に２つの磁気センサを回転位置ずれδを持たせて固定設置する。この場合、第１の磁気センサは、第１の検知出力としてＶ１（θ）＝Ｖ１ｐ・ｃｏｓ（２θ）の電圧を生成し、第２の磁気センサは、第２の検知出力としてＶ２（θ）＝Ｖ２ｐ・ｃｏｓ（２（θ−δ））の電圧を生成する。この第１の磁気センサが生成する第１の検知出力Ｖ１（θ）と第２の磁気センサが生成する第２の検知出力Ｖ２（θ）とを、Ｖ２ｐ＞Ｖ１ｐ（Ｖ２ｐ＝Ｖ１ｐ／ｃｏｓ（２δ））とし、Ｖ１（θ）＝Ｖ１ｐの点で交差させるようにする。【選択図】 図３

Description

本発明は、羽根車の回転情報から被計測流体の流量や流速などを求める流体計測回転計に関する。

従来より、回転体の回転情報を非接触で計測する方法としては、光の反射による計測方法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。この光の反射による計測方法では、例えば回転体の回転速度を非接触で計測する場合、回転体の側面に反射板を取り付けて回転体に光を当て、反射板からの反射光の強弱の周期を計測する。

一例として、流路を流れる流体（被計測流体）の流速を光の反射によって計測する例を図２０に示す。同図において、１はケーシング、２は羽根車（回転体）、３は投受光器である。ケーシング１は、被計測流体を導入する導入口１ａと、導入口１ａから導入された被計測流体を排出する排出口１ｂと、導入口１ａと排出口１ｂとを連通する流路１ｃとを備えている。

羽根車２は、流路１ｃ内に設けられ、流路１ｃ内を流れる被測定流体の流れを受けて回転軸の軸心Ｊを中心として回転する。羽根車２の羽根２ａの側面には反射板４が取り付けられている。ケーシング１には羽根車２に取り付けられた反射板４を覗く透明の窓５が設けられている。

投受光器３は、窓５を通してケーシング１内の羽根車２に光を当て、反射板４からの反射光を受光し、受光した反射光の強さに応じた信号を出力する（図２１参照）。この投受光器３が出力する信号の周期から羽根車２の回転速度が求められ、この羽根車２の回転速度から流路１ｃを流れる被測定流体の流速が計測される。

しかしながら、この光の反射による計測方法では、回転体の回転情報として回転速度や回転数を検出することができるが、回転体の回転方向や回転角度は簡単に検出することはできない。また、原理的に、回転軸上に反射板を置くことはできず、小型化には制約がある。また、回転体が完全にケーシング内に収納され外部からアクセスできないような場合、例えばタービンでケーシング内圧が高く窓を設けられないような場合、回転体の回転情報を検出することは不可能である。

これに対し、回転体の回転情報を非接触で計測する他の方法として、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を利用したものがある。磁気抵抗素子は、この磁気抵抗素子が配置されている面と平行な磁界の方向が変化すると、それに応じて抵抗値が変化する。この磁気抵抗素子の抵抗値の変化から磁界の方向を検出することができ、この磁界の方向から各種部材間の相対的な回転角度を検出することが可能となる。

図２２に磁気抵抗素子を利用した角度センサ（磁気センサ）の回路構成の要部を示す。同図において、６は磁気センサであり、ブリッジ接続された磁気抵抗素子６ａ〜６ｄによって構成されている。磁気抵抗素子６ａ〜６ｄは電極パターンとして基板面に形成されている。この磁気センサ６は、定電流Ｉによって駆動され、磁気抵抗素子６ａと６ｂとの接続点と磁気抵抗素子６ｃと６ｄとの接続点との間の電位差Ｖ（θ）を検知出力とする。なお、この例では磁気センサ６を定電流で駆動する方式としているが、定電圧で駆動する方式を採用してもよい。

この磁気センサ６において、基板面に形成された磁気抵抗素子６ａ〜６ｄの電極パターンに対して平行な磁界をＢとし、この磁界Ｂが回転するものとする。θは磁界Ｂの回転角である。この場合、磁気抵抗素子６ａ〜６ｄの抵抗値が変化し、検知出力Ｖ（θ）が変化する。この検知出力Ｖ（θ）の変化から磁界Ｂの方向を検出することができる。

すなわち、図２３に示すように、回転体７の回転に伴って磁界Ｂが回転するものとすれば、この磁界Ｂの方向から回転体７の回転角度を検出することができる。なお、図２３において、７−１は回転体７の回転軸、８−１，８−２は回転体７に設けられた１対の磁石（磁界生成部）であり、磁気センサ６はこの磁石８−１，８−２が生成する磁界Ｂ内に固定設置されている。この例では、部材９に固定されている。

この磁気センサ６において、磁気抵抗素子６ａ，６ｃの抵抗値をＲ（θ）、磁気抵抗素子６ｂ，６ｄの抵抗値をＲ（θ−９０゜）、磁気抵抗効果の大きさをΔＲ（ΔＲ＝Ｒ_H−Ｒ_V）とすると、
Ｒ（θ）＝Ｒ_H・ｃｏｓ²θ＋Ｒ_V・ｓｉｎ²θ ・・・・（１）
Ｒ（θ−９０゜）＝Ｒ_H・ｓｉｎ²θ＋Ｒ_V・ｃｏｓ²θ ・・・・（２）
と表され、
検知出力Ｖ（θ）は、
Ｖ（θ）＝（Ｉ／２）・ΔＲ・ｃｏｓ（２θ） ・・・・（３）
と表される。
但し、Ｒ_V：磁気抵抗素子に垂直に磁界がかかった時の抵抗値（最小値）、Ｒ_H：磁気抵抗素子に水平に磁界がかかった時の抵抗値（最大値）。

図２４に、回転体を羽根車２とした流量計において、磁気センサ６を利用した例を示す。この例では、羽根車２の羽根２ａ，２ｂに１対の磁石８−１，８−２を埋め込み、磁石８−１，８−２が生成する磁界Ｂ内（羽根車６の回転軸と直交する平面内）に、その中心を羽根車６の回転軸の軸心Ｊに一致させて、磁気センサ６を固定設置している。図２５に図２４におけるＡ方向から見た一部破断断面図を示す。

図２４において、羽根車２が回転すると、磁気センサ６の検知出力Ｖ（θ）は増減し、半回転で１周期となる（図２６参照）。羽根車２が１方向に回転している場合、検知出力Ｖ（θ）がピーク値（Ｖｐ＝（Ｉ／２）・ΔＲ）となった時点から２回ピークを迎えると、１回転とカウントできる。しかし、この検知出力Ｖ（θ）は反転対称性のため、回転方向を検出することができない。また、検知出力Ｖ（θ）が単調増加する範囲を超えて回転する場合には角度が一意に定まらず、磁気抵抗素子を利用した角度センサは単調増加の範囲がπ／２しかない。

これに対し、図２７に参考例として示すように、磁石８−１，８−２が生成する磁界Ｂ内に、２つの磁気センサ６−１と６−２とを回転位置ずれδを持たせて固定設置することが考えられる。図２８に図２７における矢印Ａ方向から見た一部破断断面図を示す。図２７において、羽根車２が回転すると、磁気センサ６−１の検知出力Ｖ１（θ）および磁気センサ６−２の検知出力Ｖ２（θ）は増減する（図２９参照）。

この場合、磁気センサ６−１と６−２とは回転位置ずれδを持たせて設置されているので、磁気センサ６−１の検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ６−２の検知出力Ｖ２（θ）との間に位相差が生じ、磁気センサ６−１はＶ１（θ）＝Ｖｐ・ｃｏｓ（２θ）の検知出力を出力し、磁気センサ６−２はＶ２（θ）＝Ｖｐ・ｃｏｓ（２（θ−δ））の検知出力を出力する。

このような構成とすると、磁気センサ６−１の検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ６−２の検知出力Ｖ２（θ）とから、羽根車２の回転方向を検出することが可能となる。例えば、図２９におけるＰ１の位置では、Ｖ１（θ）＞Ｖ２（θ）なので、Ｖ１（θ）の値が上昇（ｄＶ１／ｄｔ＞０）の場合は順方向、Ｖ１（θ）の値が下降（ｄＶ１／ｄｔ＜０）の場合は逆方向と判定することができる。また、図２９におけるＰ２の位置では、Ｖ１（θ）＜Ｖ２（θ）なので、Ｖ１（θ）の値が下降（ｄＶ１／ｄｔ＜０）の場合は順方向、Ｖ１（θ）の値が上昇（ｄＶ１／ｄｔ＞０）の場合は逆方向と判定することができる。

特開２００２−５７０１号公報

しかしながら、図２９に示したような検知出力Ｖ１（θ），Ｖ２（θ）からは、回転体の全周にわたって回転方向を検出することができない。すなわち、図２９におけるＰ３の位置では、Ｖ１（θ）＞Ｖ２（θ）であるが、順方向のときＶ１（θ）が下降しており、「Ｖ１（θ）＞Ｖ２（θ）の時、Ｖ１（θ）の値が上昇の場合は順方向」という判定条件が成立しない。この判定条件が成立しない区間を不成立区間と呼び、判定条件が成立する区間を成立区間と呼ぶ。図２９では、不成立区間を斜線で示している。このような不成立区間が生じると、羽根車の回転情報から被計測流体の流量や流速などを求める流体計測回転計の計測精度が損なわれる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、羽根車の全周にわたって回転方向を検出することが可能とし、被計測流体の流量や流速などの計測精度を高めることができる流体計測回転計を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、被計測流体を導入する導入口（２１ａ）と、導入口から導入された被計測流体を排出する排出口（２１ｂ）と、導入口と排出口とを連通する流路（２１ｃ）とを備え、流路内を流れる被計測流体の流れを受けて回転軸を中心として回転する羽根車（２７）と、羽根車の回転に伴ってその方向が変化する磁界を生成する磁界生成部（１２−１，１２−２）とを内蔵したケーシング（２１）と、磁界生成部が生成するケーシングの外側の磁界内に固定設置され、羽根車の回転に伴う磁界の方向の変化に連動してその検知出力が変化する第１の磁気センサ（１３−１）と、磁界生成部が生成するケーシングの外側の磁界内に第１の磁気センサに対して回転位置ずれδを持たせて固定設置され、羽根車の回転に伴う磁界の方向の変化に連動してその検知出力が変化する第２の磁気センサ（１３−２）と、第１の磁気センサの検知出力を第１の検知出力、第２の磁気センサの検知出力を第２の検知出力とし、この第１の検知出力および第２の検知出力に基づいて少なくとも羽根車の回転方向を羽根車の回転情報として検出する回転情報検出部（３０）と、この回転情報検出部によって検出された羽根車の回転情報に基づいて被計測流体に関する所望の計測結果を求める流体計測部（３１）とを演算部（２９）として内蔵したハウジング（２２）とを備え、第１の磁気センサは、羽根車の回転に伴う磁界の回転角をθ、第１の検知出力の最大値をＶ１ｐとした場合、第１の検知出力としてＶ１（θ）＝Ｖ１ｐ・ｃｏｓ（２θ）の電圧を生成し、第２の磁気センサは、羽根車の回転に伴う磁界の回転角をθ、第２の検知出力の最大値をＶ２ｐとした場合、第２の検知出力としてＶ２（θ）＝Ｖ２ｐ・ｃｏｓ（２（θ−δ））の電圧を生成し、第１の磁気センサが生成する第１の検知出力Ｖ１（θ）と第２の磁気センサが生成する第２の検知出力Ｖ２（θ）とは、第２の検知出力Ｖ２（θ）の最大値Ｖ２ｐが第１の検知出力Ｖ１（θ）の最大値Ｖ１ｐよりも大きく、かつＶ１（θ）＝Ｖ１ｐの点で交差することを特徴とする。

この発明において、第２の磁気センサは、磁界生成部が生成する磁界内に、第１の磁気センサに対して回転位置ずれδを持たせて固定設置されている。第１の磁気センサは、羽根車の回転に伴う磁界の方向の変化に連動して、第１の検知出力としてＶ１（θ）＝Ｖ１ｐ・ｃｏｓ（２θ）の電圧を生成し、第２の磁気センサは、羽根車の回転に伴う磁界の方向の変化に連動して、第２の検知出力としてＶ２（θ）＝Ｖ２ｐ・ｃｏｓ（２（θ−δ））の電圧を生成する。この場合、第１の検知出力Ｖ１（θ）の最大値はＶ１ｐとなり、第２の検知出力Ｖ２（θ）の最大値はＶ２ｐとなる。本発明において、第１の磁気センサが生成する第１の検知出力Ｖ１（θ）と第２の磁気センサが生成する第２の検知出力Ｖ２（θ）とは、第２の検知出力Ｖ２（θ）の最大値Ｖ２ｐが第１の検知出力Ｖ１（θ）の最大値Ｖ１ｐよりも大きく（Ｖ２ｐ＞Ｖ１ｐ）、Ｖ１（θ）＝Ｖ１ｐの点で交差する。

これにより、本発明では、「Ｖ１（θ）＞Ｖ２（θ）であるが、順方向のときＶ１（θ）が下降する」というような判定条件が成立しない区間（不成立区間）が生じなくなり、羽根車の全周にわたって回転方向を検出することが可能となり、被計測流体の流量や流速などの計測精度を高めることができるようになる。

本発明では、羽根車の全周にわたって回転方向を検出することが可能となることから、回転基準位置からの羽根車の順方向に回転した回数と逆方向に回転した回数との差として羽根車が回転した回数をカウントすることが可能となる。また、検出した羽根車の回転方向とカウントした羽根車の回転回数と第１の検知出力とに基づいて羽根車の回転基準位置からの回転角度を求めることも可能となる。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したことにより、本発明によれば、第１の磁気センサが生成する第１の検知出力Ｖ１（θ）と第２の磁気センサが生成する第２の検知出力Ｖ２（θ）とを、第２の検知出力Ｖ２（θ）の最大値Ｖ２ｐが第１の検知出力Ｖ１（θ）の最大値Ｖ１ｐよりも大きくするとともに、Ｖ１（θ）＝Ｖ１ｐの点で交差させるようにしたので、羽根車の全周にわたって回転方向を検出することが可能となり、被計測流体の流量や流速などの計測精度を高めることができるようになる。

図１は、本発明に係る流体計測回転計に用いる回転検出センサの一例を示す平面図である。 図２は、この回転検出センサの斜視図である。 図３は、この回転検出センサの２つの磁気センサの検知出力Ｖ１（θ），Ｖ２（θ）を示す波形図である。 図４は、この回転検出センサに付設する回転情報検出部の概略を示す構成図である。 図５は、２つの磁気センサを回転体の上側と下側とに分けて設置するようにした例を示す図である。 図６は、２つの回転軸が連動するような場合の２つの磁気センサの設置例（例１）を示す図である。 図７は、２つの回転軸が連動するような場合の２つの磁気センサの設置例（例２）を示す図である。 図８は、２つの回転軸が連動するような場合の２つの磁気センサの設置例（例３）を示す図である。 図９は、回転軸の軸心を挾んだ位置に２つの磁気センサを設置した例を示す図である。 図１０は、図９におけるＣ方向から見た断面図である。 図１１は、本発明に係る流体計測回転計の一実施の形態を示す図である。 図１２は、図１１におけるＩ−Ｉ線断面図である。 図１３は、この流体計測回転計における２つの磁気センサの検知出力Ｖ１（θ），Ｖ２（θ）を示す波形図である。 図１４は、この流体計測回転計に付設する演算部の概略を示す構成図である。 図１５は、この演算部における回転方向判定部で使用される回転方向の判定条件および回転回数カウント部で使用される回転回数のカウント条件を示す図である。 図１６は、この流体計測回転計における羽根車の回転に伴う２つの磁気センサの検知出力Ｖ１（θ），Ｖ２（θ）の変化例およびカウントされる回転回数Ｎの変化例を示す図である。 図１７は、羽根車の回転に伴う検知出力Ｖ１（θ）の接線の傾き「ｄＶ１／ｄｔ」の符号（正負）の変化と「Ｖ１（θ）−Ｖ２（θ）」の符号（正負）の変化を例示する図である。 図１８は、算出された羽根車の回転角θ’を実際の回転角θと対比して示す図である。 図１９は、ケーシングを挟んで２つの磁気センサを対向して設置するようにした例を示す図である。 図２０は、被計測流体の流速を光の反射によって計測する例を示す図である。 図２１は、受光した反射光の強さに応じた信号を示す図である。 図２２は、磁気抵抗素子を利用した角度センサ（磁気センサ）の回路構成の要部を示す図である。 図２３は、磁気センサを用いた例を示す図である。 図２４は、回転体を羽根車とした流量計において磁気センサを利用した例を示す図である。 図２５は、図２４におけるＡ方向から見た一部破断断面図である。 図２６は、１つの磁気センサの検知出力Ｖ（θ）を示す波形図である。 図２７は、２つの磁気センサを回転位置ずれδを持たせて固定設置した例（参考例）を示す図である。 図２８は、図２７における矢印Ａ方向から見た一部破断断面図である。 図２９は、参考例における２つの磁気センサの検知出力Ｖ１（θ），Ｖ２（θ）を示す波形図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔回転検出センサ〕
図１は本発明に係る流体計測回転計に用いる回転検出センサの一例を示す平面図である。同図において、１１は回転体、１２−１，１２−２は回転体１１に埋め込まれた１対の磁石であり、１３−１，１３−２は磁気センサである。磁気センサ１３−１，１３−２の構成は、 図１は本発明の実施の形態１に係る回転検出センサ１００の要部を示す平面図である。同図において、１１は回転体、１２−１，１２−２は回転体１１に埋め込まれた１対の磁石であり、１３−１，１３−２は磁気センサである。磁気センサ１３−１，１３−２の構成は、図２２を用いて説明した磁気センサ６と同じであるので、その説明は省略する。

この回転検出センサ１００において、磁気センサ１３−１，１３−２は、磁石１２−１，１２−２が生成する磁界Ｂ内（回転体１１の回転軸と直交する平面内）に、回転位置ずれδ（δ≠ｎπ／４（ｎは整数））を持たせて固定設置されている。この例では、図２に示すように、磁気センサ１３−１，１３−２の中心を回転体１１の回転軸の軸心Ｊに一致させて、また磁気センサ１３−１と磁気センサ１３−２とを上下に平行に間隔を持って重ねるようにして、回転体１１の上側に設置している。

この回転検出センサ１００において、回転体１１が回転すると、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）および磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）は増減する（図３参照）。この場合、磁気センサ１３−１と１３−２とは回転位置ずれδを持たせて設置されているので、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）との間に位相差が生じ、磁気センサ１３−１はＶ１（θ）＝Ｖ１ｐ・ｃｏｓ（２θ）の検知出力を出力し、磁気センサ１３−２はＶ２（θ）＝Ｖ２ｐ・ｃｏｓ（２（θ−δ））の検知出力を出力する。

ここで、図２９に示した例ではＶ１ｐ＝Ｖ２ｐ＝Ｖｐとしていたが、この回転検出センサ１００では、Ｖ２ｐ＞Ｖ１ｐとし、磁気センサ１３−１が生成する検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２が生成する検知出力Ｖ２（θ）とをＶ１（θ）＝Ｖ１ｐの点で交差させるようにする。具体的には、θ＝０゜の時、Ｖ１（θ）＝Ｖ１ｐとなるようにし、この点で磁気センサ１３−１が生成する検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２が生成する検知出力Ｖ２（θ）とが交差するようにする。

この場合、θ＝０゜の時、磁気センサ１３−２が生成する検知出力Ｖ２（θ）は、Ｖ２（θ）＝Ｖ２ｐ・ｃｏｓ（２（θ−δ））＝Ｖ２ｐ・ｃｏｓ（２δ）となる。このＶ２ｐ・ｃｏｓ（２δ）をＶ１ｐとなるようにすることから、すなわちＶ２ｐ・ｃｏｓ（２δ）＝Ｖ１ｐとなるようにすることから、検知出力Ｖ２（θ）の最大値Ｖ２ｐをＶ２ｐ＝Ｖ１ｐ／ｃｏｓ（２δ）とすればよいことになる。Ｖ１ｐ，Ｖ２ｐは磁気センサ１３−１，１３−２に印加する電流や電圧を調整（出力ゲインの調整）したり、センサ抵抗値の作り込みなどによって設定可能である。

このような構成とすることにより、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）とから、回転体１１の全周にわたって回転方向を検出することができるようになる。

すなわち、回転体１１が順方向に回転する場合、Ｖ１（θ）の値が上昇時（ｄＶ１／ｄｔ＞０）には常にＶ１（θ）＞Ｖ２（θ）となり、Ｖ１（θ）の値が下降時（ｄＶ１／ｄｔ＜０）には常にＶ１（θ）＜Ｖ２（θ）となる。また、回転体１１が逆方向に回転する場合、Ｖ１（θ）の値が上昇時（ｄＶ１／ｄｔ＞０）には常にＶ１（θ）＜Ｖ２（θ）となり、Ｖ１（θ）の値が下降時（ｄＶ１／ｄｔ＜０）には常にＶ１（θ）＞Ｖ２（θ）となる。これにより、図２９に示したような判定条件の不成立区間が生じないものとなる。

なお、ｄＶ１／ｄｔ＝０の位置（Ｖ１（θ）＝±Ｖ１ｐの位置）では、Ｖ１（θ）の値とｄＶ２／ｄｔの符号をみることで回転方向を判別するができる。すなわち、Ｖ１（θ）＝＋Ｖ１ｐの場合（Ｐ４点）、ｄＶ２／ｄｔ＞０（上昇）であれば順方向と判定することができ、ｄＶ２／ｄｔ＜０（下降）であれば逆方向と判定することができる。また、Ｖ１（θ）＝−Ｖ１ｐの場合（Ｐ５点）、ｄＶ２／ｄｔ＜０（下降）であれば順方向と判定することができ、ｄＶ２／ｄｔ＞０（上昇）であれば逆方向と判定することができる。

図４に、この回転検出センサ１００に付設する回転情報検出部１４の概略を示す。この回転情報検出部１４は、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）の増減傾向をｄＶ１／ｄｔ（接線の傾き）の正負として検出する第１の微分回路１４−１と、磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）の増減傾向をｄＶ２／ｄｔ（接線の傾き）の正負として検出する第２の微分回路１４−２と、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）の大小を比較する比較回路１４−３と、微分回路１４−１，１４−２での検出結果と比較回路１４−３での比較結果と磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）とに基づいて回転体１１の回転方向を判定する回転方向判定部１４−４と、回転方向判定部１４−４での回転方向の判定結果と磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）とに基づいて回転基準位置からの回転体１１の順方向に回転した回数と逆方向に回転した回数との差として回転体１１の回転回数をカウントする回転回数カウント部１４−５と、回転回数カウント部１４−５においてカウントされた回転体１１の回転回数と磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）とに基づいて回転体１１の回転基準位置からの回転角度を求める回転角度算出部１４−６とを備えている。

この回転情報検出部１４において、回転方向判定部１４−４は、上述した判定条件に従って、回転体１１の回転方向を判定する。なお、ｄＶ１／ｄｔ＝０の位置（Ｖ１（θ）＝±Ｖ１ｐの位置）での回転方向の判定は、ｄＶ１／ｄｔ＝０の位置で回転体１１が留まるのは希であるので、省略するものとしてもよい。また、回転方向判定部１４−４や回転回数カウント部１４−５、回転角度算出部１４−６の詳細については、後述する実施の形態で具体的に説明する。

この回転検出センサ１００では、回転体１１の上側に磁気センサ１３−１と１３−２とを重ねるようにして設置するようにしたが、図５に示すように、磁気センサ１３−１と１３−２とを回転体１１の上側と下側とに分けて設置するようにしてもよい。

また、歯車のように２つの回転軸が連動するような場合、それぞれの回転軸に各１個、磁気センサを設置するようにしてもよい。例えば、図６に示すように、中央の回転軸（歯車）１５と連動して左右の回転軸（歯車）１６，１７が回転するような場合、回転軸１６側に磁気センサ１３−１を設置するようにし、回転軸１７側に磁気センサ１３−２を設置するようにする。この場合、回転軸１６側に１対の磁石１２−１と１２−２を設け、回転軸１７側に１対の磁石１２−３と１２−４を設け、回転軸１６，１７の回転に伴って回転する磁界Ｂ１，Ｂ２の方向を磁気センサ１３−１，１３−２で検出する。

なお、図６では、磁界Ｂ１，Ｂ２の方向を平行としているが、周期が揃っていれば、磁界Ｂ１，Ｂ２の方向は平行でなくてもよい。例えば、図７に示すように、磁気センサ１３−１，１３−２の回転位置をずらすのではなく、磁界Ｂ１，Ｂ２の方向をδだけずらすようにしてもよい。また、図６では、磁気センサ１３−１，１３−２の感磁面を同じ方向に向けて配置しているが、図８に示すように、回転軸１６と回転軸１７とを食い違い軸とし、磁気センサ１３−１，１３−２の感磁面を直交する方向に向けて配置するようにしてもよい。この場合、磁気センサ１３−１，１３−２の回転位置をδだけずらすものとしてもよく、磁界Ｂ１，Ｂ２の方向をδだけずらすようにしてもよい。また、回転軸１６と回転軸１７とを交差軸などとしてもよい。

本発明において、磁界生成部が生成する磁界をＢ１，Ｂ２とすると、磁界Ｂ１，Ｂ２の方向をδだけずらすようにした場合、磁気センサ１３−２は、磁界生成部が生成する磁界Ｂ２内に磁気センサ１３−１に対して（磁気センサ１３−１が検知する磁界Ｂ１に対して）回転位置ずれδを持たせて固定設置されていると言える。すなわち、本発明は、図７や図８に示した構成もその権利範囲に含まれるものである。

また、２つの磁気センサに対して同じ向きに磁界が加われば、２つの磁気センサは回転軸と同軸上になくても構わない。例えば、図９に示すように、回転体１８の広い範囲に同じ向きに磁界Ｂが加わるものとした場合、この回転体１の回転軸１８−１と同軸上ではなく、磁界Ｂ内の任意の位置に磁気センサ１３−１と１３−２とを設置するようにしてもよい。図１０に図９におけるＣ方向から見た断面図を示す。

〔実施の形態〕
上述した回転検出センサ１００は、機械式の水用流量計や風力発電用の翼、自動車の車軸などで逆流の検知や回転方向を検出する場合に有効である。図１１に、上述した回転検出センサ１００の原理を機械式の水用流量計に用いた例を流体計測回転計２００とし、これを実施の形態として示す。

この流体計測回転計２００は、下部にケーシング２１を備え、上部にハウジング２２を備えている。ハウジング２１の上側にはカバー２３が被せられ、このカバー２３に設けられた透明の窓２４からハウジング２１内の表示器２５等を覗くことができる。また、ハウジング２１内には、回路基板２６等も収容されている。

ケーシング２１は、図１２に図１１におけるＩ−Ｉ線断面図を示すように、被計測流体を導入する導入口２１ａと、導入口２１ａから導入された被計測流体を排出する排出口２１ｂと、導入口２１ａと排出口２１ｂとを連通する流路２１ｃとを備えている。流路２１ｃ内には羽根車２７が設けられている。羽根車２７は、流路１ｃ内を流れる被測定流体の流れを受けて、回転軸の軸心Ｊを中心として回転する。なお、ケーシング２１の材質としては非磁性体であることが望ましく、羽根車２７の回転軸など一部がケーシング２１の外にあってもよい。

羽根車２７の羽根２７ａ，２７ｂには１対の磁石１２−１，１２−２が埋め込まれており、この磁石１２−１，１２−２が生成する磁界Ｂ内（羽根車２７の回転軸と直交する平面内）に、磁気センサ１３−１，１３−２が回転位置ずれδ（δ≠ｎπ／４（ｎは整数））を持たせて固定設置されている。この例では、磁気センサ１３−１，１３−２の中心を羽根車２７の回転軸の軸心Ｊに一致させて、また磁気センサ１３−１と磁気センサ１３−２とを上下に平行に間隔を持って重ねるようにして、ケーシング２１の外側のハウジング２２内に設置している。また、ハウジング２２内には、磁気センサ１３−１，１３−２と回路基板２６との間に磁気シールド２８が設けられている。なお、図１２に示した断面図では、羽根車２７に対する磁気センサ１３−１，１３−２の位置関係を示している。

この流体計測回転計２００において、羽根車２７が回転すると、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）および磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）は増減する（図１３参照）。この場合、磁気センサ１３−１と１３−２とは回転位置ずれδを持たせて設置されているので、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）との間に位相差が生じ、磁気センサ１３−１はＶ１（θ）＝Ｖ１ｐ・ｃｏｓ（２θ）の検知出力を出力し、磁気センサ１３−２はＶ２（θ）＝Ｖ２ｐ・ｃｏｓ（２（θ−δ））の検知出力を出力する。

この実施の形態においても、回転検出センサ１００と同様、Ｖ２ｐ＞Ｖ１ｐ（Ｖ２ｐ＝Ｖ１ｐ／ｃｏｓ（２δ））とし、磁気センサ１３−１が生成する検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２が生成する検知出力Ｖ２（θ）とをＶ１（θ）＝Ｖ１ｐの点で交差させるものとしている。

このような構成とすることにより、回転検出センサ１００と同様、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）とから、羽根車２７の全周にわたって回転方向を検出することができるようになる。

図１４に、この流体計測回転計２００に付設する演算部２９の概略を示す。この演算部２９は、羽根車２７の回転情報を検出する回転情報検出部３０と、この回転情報検出部３０によって検出された羽根車２７の回転情報に基づいて被計測流体に関する所望の計測結果（例えば、被測定流体の流量や流速）を求める流体計測部３１とを備えている。この演算部２９は、ハウジング２２内の回路基板２６に構築されており、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現されている。

演算部２９において、回転情報検出部３０は、図４に示した回転情報検出部１４と同じ構成とされており、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）の増減傾向をｄＶ１／ｄｔ（接線の傾き）の正負として検出する第１の微分回路３０−１と、磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）の増減傾向をｄＶ２／ｄｔ（接線の傾き）の正負として検出する第２の微分回路３０−２と、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）と磁気センサ１３−２の検知出力Ｖ２（θ）の大小を比較する比較回路３０−３と、微分回路３０−１，３０−２での検出結果と比較回路３０−３での比較結果と磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）とに基づいて羽根車２７の回転方向を判定する回転方向判定部３０−４と、回転方向判定部３０−４での回転方向の判定結果と磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）とに基づいて回転基準位置からの羽根車２７の順方向に回転した回数と逆方向に回転した回数との差として羽根車２７の回転回数をカウントする回転回数カウント部３０−５と、回転回数カウント部３０−５においてカウントされた羽根車２７の回転回数と磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）とに基づいて羽根車２７の回転基準位置からの回転角度を求める回転角度算出部３０−６とを備えている。

図１５に回転方向判定部３０−４で使用される回転方向の判定条件および回転回数カウント部３０−５で使用される回転回数のカウント条件を示す。

回転方向判定部３０−４は、Ｖ１（θ）の接線の傾き「ｄＶ１／ｄｔ」が正（上昇）の場合に「Ｖ１（θ）−Ｖ２（θ）」が正であった場合を条件１として、Ｖ１（θ）の接線の傾き「ｄＶ１／ｄｔ」が負（下降）の場合に「Ｖ１（θ）−Ｖ２（θ）」が負であった場合を条件２として、羽根車２７が正回転していると判定する。

また、Ｖ１（θ）の接線の傾き「ｄＶ１／ｄｔ」がゼロで、「Ｖ１（θ）−Ｖ２（θ）」がゼロであった場合、Ｖ１（θ）が最大でＶ２（θ）の接線の傾き「ｄＶ２／ｄｔ」が正（上昇）であった場合を条件３として、Ｖ１（θ）が最小でＶ２（θ）の接線の傾き「ｄＶ２／ｄｔ」が負（下降）であった場合を条件４として、羽根車２７が正回転していると判定する。

また、回転方向判定部１４−４は、Ｖ１（θ）の接線の傾き「ｄＶ１／ｄｔ」が負（下降）の場合に「Ｖ１（θ）−Ｖ２（θ）」が正であった場合を条件５として、Ｖ１（θ）の接線の傾き「ｄＶ１／ｄｔ」が正（上昇）の場合に「Ｖ１（θ）−Ｖ２（θ）」が負であった場合を条件６として、羽根車２７が逆回転していると判定する。

また、Ｖ１（θ）の接線の傾き「ｄＶ１／ｄｔ」がゼロで、「Ｖ１（θ）−Ｖ２（θ）」がゼロであった場合、Ｖ１（θ）が最大でＶ２（θ）の接線の傾き「ｄＶ２／ｄｔ」が負（下降）であった場合を条件７として、Ｖ１（θ）が最小でＶ２（θ）の接線の傾き「ｄＶ２／ｄｔ」が正（上昇）であった場合を条件８として、羽根車２７が逆回転していると判定する。

回転回数カウント部３０−５は、羽根車２７が正回転しているとき、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）が振幅の最小値となった時点で羽根車２７の回転した回数を＋０.５とし、羽根車２７が逆回転しているとき、磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）が振幅の最小値となった時点で羽根車２７の回転した回数を−０.５とする。なお、この回転回数のカウント条件は一例であり、他にも考えられる。

図１６に、図１３において、ＰＡ点から正回転し始めた羽根車２７がＰＢ点で方向を転換し、ＰＣ点まで逆回転した後、再び正回転に戻るという動作を行った場合の磁気センサ１３−１，１３−２の検知出力Ｖ１（θ），Ｖ２（θ）の変化とカウントされる羽根車２７の回転回数Ｎの変化を示す。参考として、図１７に、この時のＶ１（θ）の接線の傾き「ｄＶ１／ｄｔ」の符号（正負）の変化と、「Ｖ１（θ）−Ｖ２（θ）」の符号（正負）の変化を示す。

回転角度算出部３０−６は、この回転回数カウント部３０−５がカウントする羽根車２７の回転回数Ｎと磁気センサ１３−１の検知出力Ｖ１（θ）とから、羽根車２７の現在の回転角θを算出する。図１８に、回転角度算出部３０−６によって算出された羽根車２７の回転角θ’を実際の回転角θと対比して示す。なお、図１８中、Ｎ（θ）は羽根車２７の回転回数Ｎ×３６０゜として求められる回転角度を示す。

このようにして、回転情報検出部３０において、羽根車２７の回転情報として羽根車２７の回転方向や回転回数、回転角が検出され、この検出された羽根車２７の回転情報が流体計測部３１に送られる。流体計測部３１は、この回転情報検出部３０から送られてくる羽根車２７の回転情報に基づいて、被測定流体の流量や流速などを計測結果として求める。この場合、羽根車２７の全周にわたって回転方向が検出されるので、被計測流体の流量や流速などの計測精度が高められるものとなる。

なお、この実施の形態では、磁気センサ１３−１と１３−２をハウジング２２内に重ねるようにして設置するようにしたが、図１９に示すように、例えばケーシング２１を挟んで磁気センサ１３−１の反対側に磁気センサ１３−２を対向して設置するようにしてもよい。この場合、磁気センサ１３−２をセンサハウジング３２で覆い、磁気センサ１３−２とハウジング２２内の回路基板２６とを配線３３によって接続するようにする。

また、上述した実施の形態１，２では、磁気センサ１３−１，１３−２を磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を用いた角度センサとしたが、ホール素子を用いた角度センサなどとしてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１１…回転体、１２−１，１２−１２…磁石、１３−１，１３−２…磁気センサ、１４…回転情報検出部、１４−１…第１の微分回路、１４−２…第２の微分回路、１４−３…比較回路、１４−４…回転方向判定部、１４−５…回転回数カウント部、１４−６…回転角度算出部、２１…ケーシング、２２…ハウジング、２６…回路基板、２７…羽根車、２８…磁気シールド、２９…演算部、３０…回転情報検出部、３０−１…第１の微分回路、３０−２…第２の微分回路、３０−３…比較回路、３０−４…回転方向判定部、３０−５…回転回数カウント部、３０−６…回転角度算出部、３１…流体計測部、１００…回転検出センサ、２００…流体計測回転計（機械式の水用流量計）。

Claims (7)

1. 被計測流体を導入する導入口と、前記導入口から導入された前記被計測流体を排出する排出口と、前記導入口と前記排出口とを連通する流路とを備え、前記流路内を流れる前記被計測流体の流れを受けて回転軸を中心として回転する羽根車と、前記羽根車の回転に伴ってその方向が変化する磁界を生成する磁界生成部とを内蔵したケーシングと、
   前記磁界生成部が生成する前記ケーシングの外側の磁界内に固定設置され、前記羽根車の回転に伴う前記磁界の方向の変化に連動してその検知出力が変化する第１の磁気センサと、
   前記磁界生成部が生成する前記ケーシングの外側の磁界内に前記第１の磁気センサに対して回転位置ずれδを持たせて固定設置され、前記羽根車の回転に伴う前記磁界の方向の変化に連動してその検知出力が変化する第２の磁気センサと、
   前記第１の磁気センサの検知出力を第１の検知出力、前記第２の磁気センサの検知出力を第２の検知出力とし、この第１の検知出力および第２の検知出力に基づいて少なくとも前記羽根車の回転方向を前記羽根車の回転情報として検出する回転情報検出部と、この回転情報検出部によって検出された前記羽根車の回転情報に基づいて前記被計測流体に関する所望の計測結果を求める流体計測部とを演算部として内蔵したハウジングとを備え、
   前記第１の磁気センサは、
   前記羽根車の回転に伴う前記磁界の回転角をθ、前記第１の検知出力の最大値をＶ１ｐとした場合、前記第１の検知出力としてＶ１（θ）＝Ｖ１ｐ・ｃｏｓ（２θ）の電圧を生成し、
   前記第２の磁気センサは、
   前記羽根車の回転に伴う前記磁界の回転角をθ、前記第２の検知出力の最大値をＶ２ｐとした場合、前記第２の検知出力としてＶ２（θ）＝Ｖ２ｐ・ｃｏｓ（２（θ−δ））の電圧を生成し、
   前記第１の磁気センサが生成する第１の検知出力Ｖ１（θ）と前記第２の磁気センサが生成する第２の検知出力Ｖ２（θ）とは、
   前記第２の検知出力Ｖ２（θ）の最大値Ｖ２ｐが前記第１の検知出力Ｖ１（θ）の最大値Ｖ１ｐよりも大きく、かつＶ１（θ）＝Ｖ１ｐの点で交差する
   ことを特徴とする流体計測回転計。
2. 請求項１に記載された流体計測回転計において、
   前記第１の磁気センサは、
   前記羽根車の回転軸と直交する第１の平面内にその中心を前記羽根車の回転軸の軸心に一致させて設置され、
   前記第２の磁気センサは、
   前記羽根車の回転軸と直交する第２の平面内にその中心を前記羽根車の回転軸の軸心に一致させて設置され、
   前記第１および第２の磁気センサは、
   前記演算部とともに前記ハウジングに内蔵され、
   前記第１および第２の磁気センサと前記演算部との間に磁気シールドが設けられている
   ことを特徴とする流体計測回転計。
3. 請求項１に記載された流体計測回転計において、
   前記第１の磁気センサは、
   前記羽根車の回転軸と直交する第１の平面内にその中心を前記羽根車の回転軸の軸心に一致させて設置され、
   前記第２の磁気センサは、
   前記羽根車の回転軸と直交する第２の平面内にその中心を前記羽根車の回転軸の軸心に一致させて設置され、
   前記第１の磁気センサは、
   前記演算部とともに前記ハウジングに内蔵され、
   前記第２の磁気センサは、
   前記ケーシングを挟んで前記第１の磁気センサの反対側に対向して設置され、
   前記第１の磁気センサと前記演算部との間に磁気シールドが設けられている
   ことを特徴とする流体計測回転計。
4. 請求項１に記載された流体計測回転計において、
   前記第２の磁気センサが生成する第２の検知出力Ｖ２（θ）は、
   前記最大値Ｖ２ｐがＶ２ｐ＝Ｖ１ｐ／ｃｏｓ（２δ）である
   ことを特徴とする流体計測回転計。
5. 請求項１に記載された流体計測回転計において、
   前記回転情報検出部は、
   前記第１の検知出力Ｖ１（θ）の増減傾向、及び、前記第１の検知出力Ｖ１（θ）と前記第２の検知出力Ｖ２（θ）の大小関係に基づいて、前記羽根車の回転方向を検出する
   ことを特徴とする流体計測回転計。
6. 請求項５に記載された流体計測回転計において、
   前記回転情報検出部は、
   回転基準位置からの前記羽根車の順方向に回転した回数と逆方向に回転した回数との差として前記羽根車の回転回数をカウントする
   ことを特徴とする流体計測回転計。
7. 請求項６に記載された流体計測回転計において、
   前記回転情報検出部は、
   前記検出した羽根車の回転方向と前記カウントした羽根車の回転回数と前記第１の検知出力とに基づいて前記羽根車の前記回転基準位置からの回転角度を求める
   ことを特徴とする流体計測回転計。

Images