JPS6161605B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、流体の流量メーターに関するもので
ある。特に、流体の流れを可動体で受けて、可動
体の変位を電気信号に変換するタイプの流量メー
ターに関する。 この種の従来のものの１つに、流体の流れによ
る動圧を受ける可動体、この可動体を流体の流れ
による動圧に抗する方向に付勢するうず巻スプリ
ング、および可動体にスライダーが連結されたポ
テンシヨメータを備えたものがある。これにおい
ては、流体の流れによる動圧の大きさに応じて可
動体が変位し、可動体の変位量に対応したアナロ
グ電圧がポテンシヨメータより得られる。この流
量メーターにおいては、ポテンシヨメータの薄膜
抵抗の耐摩耗性が高く、しかもスライヂーポジシ
ヨンに対する出力電圧レベルが安定していること
が望まれており、更には、可動体とスライダーの
連結機構におけるガタが少なく、しかも振動や衝
撃に対しても、スライダーと薄膜抵抗との接触が
十分に安定していることが望まれている。 しかしながら、ポテンシヨメータにおけるスラ
イダーと薄膜抵抗との接触は圧接であるため、摩
耗，振動等により、流体の流れの動圧に対してい
ずれは不安定な出力電圧を生ずるようになる。 そこで、本発明の第１の目的は、機械的変位を
電気信号に変換する機械−電気変換系に機械的な
接触機構を有しない、非接触変換手段を備える流
量メーターを提供することである。 本発明の第２の目的は、耐振動，耐衝撃性が高
い堅牢な流量メーターを提供することである。 本発明の第３の目的は、流量検出信号の電気処
理が比較的簡単な流量メーターを提供することで
ある。 本発明の第４の目的は、最近目覚ましく進歩を
とげたマイクロコンピユータで流量データを読み
取り得る流量メーターを提供することである。 本発明によれば、ケーシングの内には、その流
量が測定されるべき流体が流れる流路が形成さ
れ、その内空間には、電気コイルが巻回された軟
磁性体が、その一端で枢支され、かつこの枢支点
を中心としうず巻スプリングにより軟磁性体か流
路を横切る方向に付勢されている。軟磁性体の枢
支されたケーシングには、その枢支点を中央とし
て磁界発生手段（例えば永久磁石あるいはソレノ
イド）が形成され、該ソレノイドには、流路を流
れる流体と平行な磁界が形成される様に電流が通
じられる。 軟磁性体の横断面面積は、磁気飽和を生じやす
いように小面積とされ、電気コイルの巻回数は比
較的に低い印加電圧すなわち比較的に低い通電電
流レベルで軟磁性体が磁気飽和するに十分に多い
巻回数とされる。 軟磁性体に巻回したコイルに電圧を印加し、電
圧印加始点より、軟磁性体が磁気飽和するまでの
時間をＴとすると、概略では、 Ｔ＝Ｎ／Ｅ・（φｍ−φｘ） ……(1) となる。但し、Ｅ：電気コイル印加電圧 Ｎ：電気コイルの巻回数 φｍ：最大磁束（≒飽和磁束） φｘ：外部磁界による磁束 である。そこで、ソレノイドによる磁界の中で傾
斜角の変化により、軟磁性体に加わる磁束φｘが
変化すると、Ｔが変化する。すなわち、流体の流
れの動圧に応じて軟磁性体がその枢支点廻りに回
動変位し、軟磁性体の磁束方向の投影面積が変化
する事から外部磁束φｘが変化することになりコ
イルに電圧を印加してからコイル電流が所定レベ
ルになるまでの時間Ｔが変化する。それ故本発明
の流量メータには、Ｔを計測しそれを電圧レベ
ル，デジタルコード等の電気信号で表わす電気回
路又は半導体電子装置を接続する。本発明の好ま
しい実施例においては、軟磁性体をアモーフアス
（amorphous：非昌質）磁性体とする。アモーフ
アス磁性体は、液相金属を急冷して作らざるを得
ないため薄板であり、しかも磁気的には強磁性で
あつて透磁率及び飽和磁化が大きく、保持力が小
さく、弾力性および復元性に優れている。この様
なアモーフアス磁性体の特性は、本発明の流量メ
ーターにきわめて好都合であり、これを用いると
電気的には、Ｔの計測において信号処理が簡単か
つ高精度となるメリツトがあり、機械的には製造
が簡単になり、耐振，耐衝撃性が向上する。 第１図に示す実施例において、流量メーター１
０は、例えば、車輛用エンジンのインテークマニ
ホールドの通路中あるいは、ターボチヤージヤー
の過給気の通路中に設けられ、該通路中の流体の
流量を測定し、燃料噴射量の調整を行なうために
使用され得るものである。樹脂性ボデイ１は、流
体の入口１１ａと出口１１ｂとの間に軟磁性体１
２にコイル１３を巻回した検出部を固定した可動
体１４の一端を枢支している。軟磁性体１２は、
アモーフアス磁性体で作られる場合には液相金属
を急冷して作るための薄板状であり、複数枚重ね
て作られている。後述のテーブル１で使用したア
モーフアスは５枚重ねで作られたものである。 軟磁性体１２は、磁束と平行方向の長さの投影
長さの大小により、軟磁性体１２に巻回したコイ
ルに一定電圧を印加した時に、電圧印加開始点よ
り、軟磁性体が磁気飽和するまでの時間Ｔが変化
し、この変化量を信号として取り出すことが出来
るため、軟磁性体１２の長手方向は可動体１４の
枢軸１５に対し垂直方向になされている。可動体
１４の枢支点１５部には、第１ｂ図、第１ｃ図示
の如く、一端を枢軸１５に、又他端をボデイ１１
に止められたうず巻きスプリング１６が巻かれ、
枢軸１５と一体的になされた可動体１４を常時通
路を閉ざす方向に押圧する付勢力を与えている。
このため可動体１４が通路を開く方向に動かされ
る量は通路中を流れる流体の流量に応答すること
になる。可動体１４の外周には、第１ａ図におい
て枢支点１５を略中心として、その左右に等量延
びたソレノイド１７が巻回されている。このソレ
ノイド１７には常時一定電流を流し、ボデイ１１
内に流体の流れと平行の磁束を形成している。 ボデイ１１の入口１１ａから流体が流入する
と、流体の動圧の大きさに比例して、可動体１４
がその枢支点１５廻りに回動する。この回動量
は、前記流体の動圧とうず巻スプリング１６の張
力とが釣合う位置までである。この可動体１４の
回動により軟磁性体１２内を流体の流れ方向に通
過するソレノイド１７による磁束の量が変化する
ことになる。この可動体１４の傾斜量即ち流量は
電気処理回路１００又は１２０もしくは、論理処
理電子装置１６０で検出される。 尚、本実施例においては、ソレノイド１７によ
る磁束は、流体の流れと平行の磁束を用いたが、
可動体１４が流体の流量によつて動く可動範囲内
に磁束を発生し、この磁束の方向に対して可動体
１４に固定された軟磁性体１２の磁束方向の長さ
が変化すれば、流体の流量が測定出来るため、ソ
レノイド１７の磁束の方向は、略一定方向であれ
ば、流体の流れ方向と平行でなくても、垂直方向
でもあるいは或る傾斜角をもたせても良い事は自
明であろう。 第２ａ図は１つの電気処理回路１００を示す。
回路１００の定電圧源端子１０１には一定レベル
の直流電圧（たとえば＋5V）が印加される。入
力端子１０２には、たとえば５〜25KHzの電圧パ
ルスが印加され、該電圧パルスのプラス電圧区間
にNPNトランジスタ１０３が導通し、アースレ
ベルの間NPNトランジスタ１０３は非導通とな
る。PNPトランジスタ１０４はトランジスタ１０
３がオンの間オンとなり、オフの間オフとなる。
したがつて電気コイル１３には、入力端子１０２
に印加される電圧パルスのプラスレベル区間に定
電圧（Vcc）が印加され、アースレベル区間には
電圧は圧わらない。コイル１３に流れる電流に比
例した電宛が抵抗１０５に現われ、この電圧が抵
抗１０６とキヤパシタ１０７でなる積分回路で積
分され、積分電圧が出力端１０８に現われる。第
２ｂ図は第２ａ図に示す回路の入，出力電圧波形
を示す。入力電圧（IN）がプラスレベルに立上
つてから、抵抗１０５の電圧があるレベル以上に
立上るまでの時間tdおよび抵抗１０５の電圧
（ａ）の積分電圧Vxは磁石１４の位置に対応す
る。 第３ａは他の１つの電気処理回路１２０を示
す。入力電圧（IN）がプラスレベルの間NPNト
ランジスタ１０３がオン，PNPトランジスタ１０
４がオンしてコイル２２には電圧が印加される。
入力電圧（IN）がアースレベルの間トランジス
タ１０３および１２１がオフ，PNPトランジスタ
１０４がオフしてコイル２２には電圧が印加され
ない。コイル電流は定電流接続とした接合形Ｎチ
ヤンネルFET１およびFET２に流れ、FET１お
よびFET２で一定レベル電流値に制御される。
FET２を流れる電流のレベルは可変抵抗１２２
で設定される。FET１およびFET２に接続され
たコイル端子の電圧は、反転増幅器IN１および
IN２で増幅および波形成形される。第３ｂ図は
第３ａ図に示す回路の入，出力電圧波形を示す。
回路１２０の出力（OUT）が、入力パルス
（IN）よりもtdだけ遅れて立上る電圧パルスであ
り、このtdが磁石１４の位置に対応する。tdは第
４図に示す計数回路１４０でデジタルコードで表
わされる。回路１４０において、入力電圧INの
立上りでリツプフロツプＦ１がセツトされてその
Ｑ出力が高レベル「１」となり、アンドゲートＡ
１がゲート開（オン）となつてクロツクパルス発
振器１４１の発生パルスかカウンタ１４２のカウ
ントパルス入力端CKに印加される。出力パルス
（OUT）Ｆ１のＱ出力がアンドゲートＡ２に印加
され、出力パルス（OUT）が立上るとアンドゲ
ートＡ２が高レベル「１」に立上り、その立上り
点でフリツプフロツプＦ１がリセツトされそのＱ
出力が低レベル「０」となる。これによりアンド
ゲートＡ１がゲート閉（オフ）となり、カウンタ
１４２へのクロツクパルスは遮断される。アンド
ゲートＡ２の出力が「１」になつたとき、ラツチ
１４３にカウンタ１４２のカウントコードが取り
込まれる。フリツプフロツプＦ１がリセツトさ
れ、ラツチ１４３にカウントコードが取り込まれ
た後、アンドゲートＡ３がクロツクパルスを出力
し、カウンタ１４２をクリアする。ラツチ１４３
の出力コードはtdの間のクロツクパルス発生個数
を示し、このコードがtdを示すことになる。 第５図に示す電子処理ユニツト１６０は、１チ
ツプマイクロコンピユータ（大規模集積半導体装
置）１６１、増幅器１６２、定電流制御用の接合
形ＮチヤンネルFET１、抵抗１６３、キヤパシ
タ１６４、増幅器１６５およびクロツクパルス発
振器１６６で構成する。抵抗１６３とキヤパシタ
１６４は、入，出力パルス周波数よりも高い周波
数の電圧振動を吸収するフイルタを構成してい
る。マイクロコンピユータ１６１はクロツクパル
スを基本に5KHz〜30KHzの範囲内の一定周波数
のパルスを形成しこれを増幅器１６２に与える。
一方、マイクロコンピユータ１６１はＮチヤンネ
ルFET１とコイル１３の一端との接続点の電圧
（増幅器１６５の出力電圧）を監視し、それ自身
が出力したパルスの立上り点から増幅器１６５に
出力電圧の立上り点まで（td）の間クロツクパル
スをカウントし、tdを示すコードを出力する
（DATA OUT）。 以上のように、第１図に示す流量メーター１０
には、各種の電気処理回路および論理処理電子装
置を接続して、流量メーター１０の可動体１４の
傾斜角度に対応した電気信号を得ることができ
る。次に、第１図に示す流量メーター１０および
前述の電気処理回路１００・１２０・１４０又は
論理処理装置１６０で流体の流量に応じた電気信
号が得られることを説明する。まず、流量メータ
ー１０の入口１１ａから流入した流体の流量は、
うず巻スプリング１６の張力に対抗して動圧を加
えることにより可動体１４の傾斜角θに変換され
る。そこで次に可動体１４の傾斜角θが電気信号
に変換される点を、第６ｂ及び６ｃ図に示す実験
データを参照して説明する。発明者は、第６ａ図
に示す如く、軟磁性体１２を枢支し、この軟磁性
体をとりまくソレノイド１７を設け、該ソレノイ
ド１７に一定の電流を導通し一定の磁束を与えた
中で、軟磁性体の長手方向が磁束と略垂直方向
（90゜）から水平方向（180゜）にまで変化出来る
ようにし、この軟磁性体の傾斜角θを変化させた
この変化に対するＶθおよびtdを測定した。形状
および配置関係を示す寸法ａ，ｂおよび軟磁性体
の材質等と測定データの対応関係を次のテーブル
のケースNo.１，２に示す。

【表】 ケースNo.１の場合には、第６ｂ図に示すデータ
より、軟磁性体１２の傾斜角度θかＯから90度迄
変化するに伴ない漸増する略サインカーブに近似
した電圧Voが得られることがわかる。ケースNo.
２の場合には、同じく軟磁性体１２の傾斜角度θ
かＯから90度迄変化するに伴ない漸減しある値に
漸近するカーブの時間tdが得られることがわか
る。 前述の実施例においては、軟磁性体１２は透磁
率が高く、弾性が高く、変形しにくいアモーフア
ス磁性体を数枚重ねたものであるが、本発明によ
れば、軟磁性体１２としては、他の磁性体を用い
得る。例えば、ミユーメタル（即ち、Ni80重量
％，Fe16重量％，Mo4重量％合金）あるいはス
ーパーパーマロイ（即ち、Ni80重量％，Fe20重
量％）等のニツケル・鉄合金である磁性体によつ
ても略同等の性能を得ることが出来る。しかしな
がら、耐振性や耐変形性を高く要求される用途に
おいては、前述のアモーフアス磁性体を用いるの
が好ましいものである。更に本実施例では磁界発
生手段としてソレノイドを使用していたが、これ
は永久磁石でも良いことは自明であろう。 以上の実施例および実験データを参照した説明
から理解されるように、本発明の流量メーター
は、摺動接点を有せず、流体の流量の対応した可
動体の傾斜角度を電気コイルの入力パルスと電気
コイルの通電電流パルスの時間差tdに変換し、td
をアナログ電圧もしくは、時間カウントコードで
得る電気的処理で圧力検出信号が得られるので、
耐振動性が高く、しかも機械的な摩耗等の劣化が
少ない、可動体とトランスデユーサとの間に連結
機構が無いので、ガタなどを生ぜず、安定して流
量検出をおこなえる。更に特筆すべきは、センサ
ーに接続される電気処理回路の構成が簡単であ
り、特に、１チツプマイクロコンピユータなどの
大規模半導体装置で、圧力検出用パルスを作成
し、そのパルスと電気コイルの通電電流検出パル
スの時間差をデジタルコードで簡単に得ることが
できるということである。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明の一実施例の流量メーター１
０の縦断面図；第１ｂ図は第１ａ図のＢ−Ｂ線に
沿つた断面図；第１ｃ図は第１ｂ図のＣ−Ｃ線に
沿つた部分断面図；第２ａ図は第１ａ図に示す流
量メーター１０に接続され、検出流量に対応した
レベルのアナログ電圧を生ずる電気処理回路１０
０を示す回路図；第２ｂ図は、第２ａ図に示す電
気処理回路１００の入，出力信号を示す波形図；
第３ａ図は第１ａ図に示す流量メーター１０に接
続され、検出流量に対応した時間差のパルスを生
ずる電気回路１２０を示す回路図；第３ｂ図は、
第３ａ図に示す電気処理回路１２０の入，出力信
号を示す波形図；第４図は、第３ａ図に示す電気
処理回路１２０の入，出力パルス時間差tdをデジ
タルコードに変換する計数回路１４０を示すブロ
ツク図；第５図は、第１図に示す流量メーター１
０に接続され、１チツプマイクロコンピユータで
流量メーター１０の電気コイル１３に印加するパ
ルス電圧に対する電気コイル１３に流れる電流の
立上り遅れ時間を計数する電子処理ユニツト１６
０を示すブロツク図；第６ａ図は、軟磁性体１２
の傾斜角度に対応したパルス時間差tdを実験で求
めたときの、軟磁性体１２と磁束との相対位置関
係を示す説明図；第６ｂは、第６ａ図に示す配置
関係で、軟磁性体１２をその枢支点１５廻りに回
動させ、電気コイル１３には、第２ａ図に示す電
気処理回路１００を接続して、軟磁性体の傾斜角
度θに対する表示電圧Voを測定したデータを示
すグラフ；および第６ｃ図は、第６ａ図に示す配
置関係で、軟磁性体１２をその枢支点１５廻りに
回動させ、電気コイル１３には、第３ａ図に示す
電気処理回路１２０を接続し、その入，出力パル
ス波形をシンクロスコープで観測し両者の時間差
tdを測定して得られたグラフである。 １１……ボデイ、１１ａ……入口、１１ｂ……
出口、１４……可動体、１３……コイル、１２…
…軟磁性体、１７……ソレノイド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体がその内部を流れる通路を有するボデ
   イ； 該ボデイ内に枢止され、前記通路中に設けられ
   た該通路を開閉する様に動く可動体； 該可動体上に該可動体の枢軸に対して平行でな
   い方向に固定され、コイルを巻回された軟磁性
   体； 前記ボデイ上に設けられ前記可動体の可動範囲
   内に磁束の方向が一定の磁束を発生させる磁界発
   生手段； 所定のパルス電圧を前記コイルに印加し、前記
   軟磁性体が磁気飽和するまでの時間を検出する検
   出手段； とを備えた流量メータ。 ２ 前記可動体は、前記流路を閉じる方向に常時
   付勢する付勢手段に連結された特許請求の範囲第
   １項に記載の流量メータ。 ３ 前記付勢手段はうず巻スプリングとした特許
   請求の範囲第１項に記載の流量メータ。 ４ 前記軟磁性体はアモーフアス磁性体とした特
   許請求の範囲第１項に記載の流量メータ。 ５ 前記磁界発生手段は、ソレノイドとした特許
   請求の範囲第１項に記載の流量メータ。