フロート位置センサ

【課題】電源を切った後にフロートが移動したとしても、次の電源投入時に特に調整することがないフロート位置センサを簡便な構造によって提供することを目的とする。
【解決手段】フロートと、前記フロートの移動に伴う磁界の変化を検出するために前記フロートの移動方向の側方に設けられた磁気センサとを備えたフロート位置センサであって、前記フロートの移動に伴う磁界の変化を、前記磁気センサ近傍に設けられた移動可能な磁石を介して前記磁気センサにより検出することを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面積式流量計や液面計等に使用されるフロートを使用した位置センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、面積式流量計には、図１に示すように、フロート位置センサを設けたものがある（特許文献１及び２）。このフロート１は、内径が上方に向かって徐々に大きくなるように構成されたパイプ２内に配置され、パイプ２内を下方から上方へと通過する流体の流量が多くなるに伴い、フロート１は浮上し、その自重が押し上げられる流体の力と均衡したところで留まり、その位置で流量が測定できるものである。
このような面積式流量計は、流量を検知したい上記パイプ２の外壁に磁気センサ３を取り付け、上記フロート１の通過を検知してパイプ２内の流体の流量が設定された流量より多いか少ないかをスイッチ回路４から信号として出力する。
上記面積流量計の場合、通常、フロート１内に磁石５を内蔵しており、フロート１の通過を磁気又は光学的に検知するようにしている。
磁気による検知方法としては、リードスイッチ、ホールＩＣ、ＭＲ／ＧＭＲ磁気センサ等の磁気近接スイッチが使われ、磁気センサはＮ極・Ｓ極を判別できるバイポーラ型が用いられる。図１に示した構成では、フロート１内の磁石５が磁気センサ３の近傍を通過するとき磁気センサ３にかかる磁気の極性が変化するのでそれをコンパレータ６で検出する。
【０００３】
図２の上側は、パイプ２内において、上から下へフロート１が移動する時の（感磁軸）磁気センサ３とコンパレータ６との位置関係を模式的に示したものであり、下側は、磁気センサ３の出力及びコンパレータ６の出力を示したものである。
コンパレータ６のヒステリシスによってフロート１が磁気センサ３から遠ざかっても、フロート１が磁気センサ３よりも下にある限り出力は保持されることになる。続いて、フロート１が下から上へ上昇して磁気センサ３よりも上方に移動した時に、コンパレータ６の出力は反転する。
【０００４】
このような従来の位置センサには次のような不便さがある。実際の現場に設置され、運用されている流量計において、流量計は面積式であるので機械的なものであり電源の供給なしで動作している。一方、磁気センサ３は電気的なものであり電源の供給が必須である。ある事情で一旦電源が切られると、次に電源を投入した時はフロートが磁気センサ３の近傍にない限り初期状態で立ち上がることになる。即ち、電源を一時的に切った場合は必ず初期調整を行う必要がある。電源を入れた後に、例えば、一度流体の流れを止め再度流すなどの操作を行いフロート１を磁気センサ３の近傍を通過させることにより状態を一致させることが必要である。
電源のオン・オフ等の状態が変化した時にその状態を不揮発性メモリに記憶させておく方法も考えられるが、電源のオン・オフの前後で、フロート１が移動すると、次の電源投入時に状態の不一致が発生してしまうという問題がある。
液面計においても、磁石式でフロート位置を判定しようとする方式では全く同様の不便さがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６２−９１３２号公報
【特許文献２】実開昭６３−２１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、電源を切った後にフロートが移動したとしても、次の電源投入時に特に調整する必要がないフロート位置センサを簡便な構造によって提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のフロート位置センサは、請求項１に記載の通り、フロートと、前記フロートの移動に伴う磁界の変化を検出するために前記フロートの移動方向の側方に設けられた磁気センサとを備えたフロート位置センサであって、前記フロートの移動に伴う磁界の変化を、前記磁気センサ近傍に設けられた移動可能な磁石を介して前記磁気センサにより検出することを特徴とする。
また、請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記移動可能な磁石は、前記フロートの移動する方向と前記磁気センサとの間、或いは、前記磁気センサの前記フロート側とは反対側に配置したことを特徴とする。
また、請求項３記載の本発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記磁石は、前記フロートの移動方向と平行な軸により回転可能に軸支されていることを特徴とする。
また、請求項４記載の本発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の発明において、前記磁石は、前記フロートの移動方向に対して、近接又は離間する方向における移動を規制するための筐体内に配置されることを特徴とする。
また、請求項５記載の本発明は、請求項４に記載の発明において、前記筐体内壁に前記磁石の回転する範囲を規制するための突起を設けたことを特徴とする。
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項に記載のフロート位置センサにおいて、前記磁石は、柱状又は円盤状の多極磁石であることを特徴とする。
また、請求項７記載の本発明は、請求項１乃至６の何れか１項に記載のフロート位置センサにおいて、前記磁石の極側の端部を、錘形状又は球面形状に形成したことを特徴とする。
また、請求項８記載の本発明は、請求項１乃至７の何れか１項に記載のフロート位置センサにおいて、前記磁石は、両極間を結ぶ線が屈曲して形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電源のオン・オフ時等においてフロートの移動があっても、次の測定時に調整の必要のないフロート位置センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来のフロート位置センサの構造の説明側断面図
【図２】同センサの出力及びコンパレータの出力の説明図
【図３】本発明の一実施の形態のフロート位置センサの説明図（（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。）
【図４】同フロート位置センサの軸構造の説明図
【図５】図３の形態における磁石の回転の説明図
【図６】本発明の別の実施の形態のフロート位置センサの説明図
【図７】図６の形態における磁石の回転の説明図
【図８】本発明の別の実施の形態のフロート位置センサの説明図
【図９】図８の形態における磁石の回転の説明図
【図１０】磁石の回転が制限される例の説明図
【図１１】本発明の他の実施の形態の磁石の端部の説明図
【図１２】本発明の他の実施の形態の磁石の端部の説明図
【図１３】本発明の他の実施の形態の磁石の形状の説明図
【図１４】本発明の他の実施の形態の磁石の形状の説明図
【図１５】図１４に示した形状の磁石の回転の説明図
【図１６】筐体内壁に突起を設けた場合の磁石の回転の説明図
【図１７】筐体内壁に突起を設けた場合の他の実施の形態の磁石の回転の説明図
【図１８】本発明の一実施の形態の磁石の磁力線と磁気センサの感磁軸の説明図
【図１９】本発明の一実施の形態の磁石と磁気センサとの位置関係を示す図
【図２０】本発明の一実施の形態のフロート位置センサにおけるフロートの移動及び磁気センサの受ける磁界の説明図
【図２１】図２０の過程において電源の入・切を行った場合の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
図３に本発明の一実施の形態のフロート位置センサの基本構成を示す。
パイプ２内には、流体の移動に伴って移動できるように、内部に磁石５を備えたフロート１が設けられている。フロート１内の磁石５は、流体の移動方向にＳ極及びＮ極が向くように構成され、図示したものでは、上側がＳ極、下側がＮ極となるように構成されている。尚、フロート１は、磁性を有するものであれば特に制限はなく、フロート１自体を磁性材料で構成してもよい。
【００１１】
パイプ２、即ち、フロート１の移動方向の側方には、磁気センサ３が設けられ、磁気センサ３とパイプ２側面との間に、図４に示すように、フロート１の移動方向と平行な回転軸７ａにより、磁石７の長手方向の中央部を軸支して、この回転軸７ａを中心として水平面内において回転可能な磁石７が配置される。
尚、磁石７は、磁石７に棒磁石や針形磁石を使用する場合には、軸を不要とすることも可能である。接触面積が小さいため静止摩擦が小さいからである。例えば、表面磁束密度約１０００ガウスの磁性を有するフロート１と７００ガウスの先端を球状に形成した２ｍｍ×２ｍｍ×６ｍｍの磁石７の組み合わせで、内径７ｍｍ、高さ３ｍｍの空間に磁石７には軸を持たせず閉じ込めた構造で安定した動作を確認している。
磁気センサ３としては、例えば、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ磁気センサ、ＧＭＲ磁気センサ等を用いることができる。
尚、磁石７を筐体８内に設けることが好ましい。フロート１の磁力により、磁石７がフロート１側に近接する方向又は離間する方向に移動することを防ぐためである。また、筐体８内に磁石７を配置する場合には、磁石７の回転が円滑となるように筐体８を円筒状に形成することが好ましい。
【００１２】
上記構成において、初期状態を示す図５（ａ）及び（ｂ）から、パイプ２内を上下方向にフロート１が移動したことに伴う周囲の磁界の変化により、図５の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、磁石７が水平面において回転して初期状態に対して磁石７の向きが変化し、磁気センサ３にそれまでかかっていた磁界とは反対の極性の磁界がかかることになる。
【００１３】
尚、上記図３及び図５では、磁石７が水平面で回転した例を説明したが、図６に示すように、磁石７がフロート１の移動方向と交わる方向において軸支されて回転できるように構成することもできる。初期状態を示す図７（ａ）及び（ｂ）から、パイプ２内を上下方向にフロート１が移動したことに伴う周囲の磁界の変化により、図７の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、磁石７が垂直面の方向において回転して初期状態に対して磁石７の向きが変化し、磁気センサ３にそれまでかかっていた磁界とは反対の極性の磁界がかかることになる。
【００１４】
上記図３〜図７を参照して説明した例では、磁石７は、フロート１の移動する方向と磁気センサ３との間に配置したものを説明したが、磁石７は、磁気センサ３の近傍であれば、図８に示すように、磁気センサ３のフロート１と反対側に配置してもよい。
この場合も、初期状態を示す図９（ａ）及び（ｂ）から、パイプ２内を上下方向にフロート１が移動したことに伴う周囲の磁界の変化により、図９の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、磁石７が水平面において回転して初期状態に対して磁石７の向きが変化し、磁気センサ３にそれまでかかっていた磁界とは反対の極性の磁界がかかることになる。
【００１５】
フロート１の位置により磁石７は回転し磁極の向きを変えるが、磁石７の形状によっては、回転しないでフロート１と反発状態を保ったままになる場合もある。反発力・吸引力が発生した時にも安定な平衡点が存在すると磁石７は反発して筐体８の奥側に押し込まれるが回転することがない場合がある。
具体的には、図１０に示すように、（ａ）上方にあったフロートが下がってきて、（ｂ）の状態になると磁石７はフロート１のＳ極に引っ張られて筐体８の壁につきあたり、（ｃ）フロート１が更に下降すると磁石７のＮ極はフロート１のＮ極により反発力を受けて磁石７は筐体８の壁につきあたり回転しない。
この問題を回避するために、磁石７の端部を回転を妨げない形状とすることが好ましい。具体的には、図１１に示すように、磁石７の極側の端部を球形状にしたり、或いは、図１２に示すように、極側の端部を錐形状としさらに先端は引っかかりがないよう丸くする。このように形成することにより、安定な平衡を生じさせなくすることができる。
また、磁石７の回転を妨げない形状とするために、図１１や図１２に示した形状とする以外にも、図１３や図１４に示すような形状としてもよい。図１３や図１４では、磁石７のＮ極とＳ極とを結ぶ線を直線（１８０°）ではなく屈曲（例えば１７０°）させている。
図１４で示した形状の磁石を磁石７として使用した場合で、フロート１の移動に伴う磁石７の状態を図１５に示す。
フロート１のＳ極が近づくと、磁石７は回転して図１５（ａ）の状態となる。この際、磁石７のＳ極はフロート１のＳ極に対して反発する。しかしながら、フロート１のＳ極の磁石７のＮ極への吸引力はＳ極への反発力より大きいため、図１５（ａ）の状態で回転を止める。次に、フロート１のＮ極が近づくと、磁石７のＮ極は反発力を受け、Ｓ極は吸引力を受ける。このとき、磁石７のＳ極は図１５（ｂ）の例で左側に屈曲しているため、図１５（ｂ）の矢印の方向に回転し、図１５（ｃ）の位置で止まる。その後、フロート１のＳ極が近づいたときは、上記と同様、図１５（ｄ）に示すように磁石７が屈曲している方向に回転する。
このように、磁石７のＮ極とＳ極とを結ぶ線を屈曲（例えば１７０°）させた磁石７を使用すると、安定な平衡を生じさせず確実な動作が可能となる。
【００１６】
フロート１は通常は流体の流れの変化に追従するので高速で動くことはない。しかし、まれにフロート１が高速で動く流量計が存在する。フロート１が高速で動くと、磁石７に回転力を与えたのち逆相の極を固定する前にフロート１が通過してしまうため、磁石７は惰性で回転を続け、結果として望ましくない形で止まることになる。過度な回転を避け、動作を確実にするために、また、磁石の形状を簡単にするために筐体８の内周壁に図１６に示す突起状の回転止め９を設けることが有効である。図１６に示した例における筐体８には内壁に棒磁石の回転を妨げる突起９が設けられている。この回転止め用の突起９は棒磁石が回転を妨げられる大きさにする。例えば、図１６の筐体８のように円筒形のものを使用する場合には、棒磁石の長手方向の最長部分の長さと突起の高さを足した長さが筐体８の直径の長さを超える必要がある。これにより、フロート１の高速な動きに対しても突起９で磁石７の過度な回転を防ぐので正常な動作を保証する。
また、突起９は、図１６に示すように、フロート１から最短位置に当たる部分の筐体８の内壁に設けることが好ましい。なぜなら、この位置に突起９を設けると、フロート１のＳ極又はＮ極の吸引力により回転して静止する磁石７の静止時の長手方向の直線は、突起９を設けていない状態で静止した場合のその直線を基準とした場合にその基準から傾斜したものになる。このため、上記で説明した図１５の場合と同様に磁石７のＮ極、Ｓ極はそれぞれ回転する方向が決まり、安定な平衡状態をつくらないからである。
更に、突起９は筐体８に突起部分を加えるように、又は突起９を作る部分の外壁を窪ませて内壁に出っ張りを作るように、成型品の金型を設計すればよいだけなので、何らコスト上昇にはつながらない。
同様に、軸を持つ円盤型磁石を磁石７として使用する場合においても、回転止めとしての突起９を磁石７と筐体８内壁の両方に設けることによって、回転方向を固定し回転を確実なものにすることができる。図１７に示す例では、先ほどの棒磁石の筐体８と同様に、フロート１から最短位置に当たる部分の筐体８の内壁に突起９を設けている。そして、磁石７の磁極２カ所の側面部表面にも突起９を設けている。これらの突起９の高さは磁石７回転時に、筐体８内壁側の突起９と磁石７側の突起が接触して回転が妨げられる高さであれば良い。
尚、図１６及び図１７の例では、突起はそれぞれ該三角形状、該長方形状としているが、磁石７の過度な回転を妨げることができるならば、特にこれらの形状に限定されるものではない。
【００１７】
筐体８の上記の位置に突起９を設けると、図１８（ａ）のように棒磁石の長手方向の直線と磁気センサ３の感磁軸が平行にならず、図１８（ｂ）のようになる。しかしながら、両者が平行にならなくても同一極性の磁力線が当たる限りは問題ない。
【００１８】
磁気センサ３の感磁軸を基準とした場合の棒磁石の長手方向の許される傾斜角度は、磁石７とセンサ素子の位置と関係する。図１９は棒磁石の長さ８ｍｍ、棒磁石７の中心からセンサ素子までの距離１２ｍｍとしたときのシミュレーションである。図１９（ｂ）は磁石が基準である磁気センサ３の感磁軸から３５°傾いたときも、センサ素子位置にて磁力は感磁軸方向のベクトル成分を有していることが分かる。感磁軸方向のベクトル成分がセンサの感度を超えていれば使用可能である。例えば、表面磁束密度１０００ガウスの磁石において、図１９（ｂ）のセンサ位置における感磁軸方向の磁束は約２５エルステッドであり、通常の磁気センサ３で十分使用可能な強度を有する。
【００１９】
次に、図２０を参照して、磁石７の状態と磁気センサ３の出力との関係を具体的に説明する。図２０の（ａ）は、左から順に磁石５が磁気センサ３に近づく方向（下方向）に移動し（Ｓ１）〜（Ｓ４）、下端（Ｓ４）に達した後に再び上昇移動する（Ｓ４）〜（Ｓ７）状態を示している。同図（ｂ）は、同図（ａ）に対応して、磁石７のＮ極の方向と磁気センサ３からの信号出力を示している。
磁気センサ３は磁石７からの磁界を感知し信号出力する状態となっている。
磁石７は、フロート１から受ける磁界強度がある所定値を超えると回転して向きを変える（（Ｓ３）及び（Ｓ６））。そして、フロート１が遠ざかっても磁石７が磁気センサ３に磁界をかけ続ける（（Ｓ３）〜（Ｓ５））。
【００２０】
次に、図２０で説明した例の変形例を図２１を参照して説明する。同図（ｂ）に示すように、この例では、（Ｓ２）〜（Ｓ４）及び（Ｓ６）で電源を切り、それ以外では電源を入れている。同図（ｂ）からも明らかなように、電源を切っている間も、フロート１も磁石７も移動可能であるため、電源が（Ｓ６）で再投入されたときにも磁気センサ３はフロート１の正しい位置を検知して信号出力ができることがわかる。
【符号の説明】
【００２１】
１フロート
２パイプ
３磁気センサ
４スイッチ回路
５磁石
６コンパレータ
７磁石
８筐体
９突起

【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロートと、前記フロートの移動に伴う磁界の変化を検出するために前記フロートの移動方向の側方に設けられた磁気センサとを備えたフロート位置センサであって、前記フロートの移動に伴う磁界の変化を、前記磁気センサ近傍に設けられた移動可能な磁石を介して前記磁気センサにより検出することを特徴とするフロート位置センサ。
【請求項２】
前記移動可能な磁石は、前記フロートの移動する方向と前記磁気センサとの間、或いは、前記磁気センサの前記フロート側とは反対側に配置したことを特徴とする請求項１に記載のフロート位置センサ。
【請求項３】
前記磁石は、前記フロートの移動方向と平行な軸により回転可能に軸支されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフロート位置センサ。
【請求項４】
前記磁石は、前記フロートの移動方向に対して、近接又は離間する方向における移動を規制するための筐体内に配置されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のフロート位置センサ。
【請求項５】
前記筐体内壁に前記磁石の回転する範囲を規制するための突起を設けたことを特徴とする請求項４に記載のフロート位置センサ。
【請求項６】
前記磁石は、柱状又は円盤状の多極磁石であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のフロート位置センサ。
【請求項７】
前記磁石の極側の端部を、錘形状又は球面形状に形成したことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のフロート位置センサ。
【請求項８】
前記磁石は、両極間を結ぶ線が屈曲して形成されたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のフロート位置センサ。

【図１】