JPH04259860A - 気体の運動センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体の運動状態を検出
するセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体の全体的な一方向への運動の
センサとしては、各種の風向，風速計があり、気体の振
動運動のセンサとしては各種のマイクロホンがある。従
来の風速計は、流体の動きをプロペラのような固体の運
動に変換した後、その固体の運動を検出するという間接
方式のため、応答速度が遅く、平均風速を示すことはで
きても、瞬間的に変化する風の微細構造を明らかにする
ことはできなかった。又、極度に遅い数ｍｍ／ｓのよう
な微風の正確な検出にも、又、数ｍｍ／ｓから数１０ｍ
／ｓ迄の広い範囲の測定もできない。

【０００３】従来のマイクロホンは超低周波，０．１Ｈ
ｚ〜１０Ｈｚ位の所の音に対して振動板が応答しないの
で、非常に感度が悪かった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、従来の風速計が微風速から強風速迄の広い範囲の
風速に、早い応答で対応することができない点と、従来
のマイクロホンが超低周波の音に対応できない点である
。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従来の風速計やマイクロ
ホンでは流体の運動を、間接的方法によって検出してい
る所に問題があったので、本発明では流体をイオン化す
ることによって、流体自身をセンサの一部として、その
動きを電極を通して直接検出するという手段を採用した
。この方法の為に、非常に早い応答速度で、リアルタイ
ムに流体自身の動きを直接的にとらえることができる。

【０００６】

【実施例】図１は、本発明装置の一実施例の簡略構造図
である。１はイオン発生電極（以下イオン電極という）
、２はイオン吸着電極（以下電極という）、３は加速電
源、４は抵抗、５は増幅器、６は出力端子、７はイオン
流、８は絶縁台である。

【０００７】図１で、イオン電極１は陽電荷を発生する
放射性同位体とそれを支える絶縁物とで構成されている
。この放射性同位体にはα壊変をする同位体が適してい
る。自然のものではラドン（Ｒａ２２６）、人工のもの
ではアメリシウム（Ａｍ２４１）等があげられる。

【０００８】これらの放射性同位体は主としてα壊変を
行い、例えばアメリシウムの場合は殆どα壊変で、それ
以外に少しのγ壊変があるだけで、半減期は４５８年で
ある。これらの放射性同位体から放出されたα粒子は、
その周囲の気体を強くイオン化する作用がある。イオン
化された気体は加速電源３の作る加速電界の力で、電極
２に向って動く。これがイオン流７を形成する。この時
のイオンの速度は加速電源３の電圧によって変る。

【０００９】電極２に至った気体イオンはそこで電荷を
放出するが、その電荷は抵抗４を通ってアースされる。 その時抵抗４の両端に現われる電圧は増幅器５によって
増幅されて、出力端６に現われる。この時気体が静止し
ていたとすると、僅かなイオン電流７がイオン電極１と
電極２の間に流れるだけで、且つその電流値は一定であ
る。人体にも悪影響を与えない程度の弱い放射性同位体
によるイオン電流は通常ｐＡ〜ｎＡのオーダーである。

【００１０】この時二つの電極１，２の間に流れるイオ
ン流７と交叉する方向に気体が運動すると、イオン化さ
れた気体粒子もその運動につれて動き、イオン流７の一
部は電極２から外れて、他の大地に流れる。その分だけ
抵抗４に流れる電流は減少し、従って出力端子６の出力
も減少する。

【００１１】気体の運動速度と出力端子６の出力変動と
の間には、実験によると、７図に示したような関係があ
る。この図から明らかなように、出力端子６の出力変動
から気体の運動状況を知ることができる。

【００１２】イオン流７の中のイオン粒子の運動速度と
、気体の運動速度と、本センサの感度との間にも密接な
関係がある。今、イオン流７と直角に気体が移動したと
し、その時電極２の端から端迄気体が移動する時間内に
、若しイオン粒子がイオン電極１から電極２迄飛来する
ことができなかった場合は、イオン粒子は総べて吹き飛
ばされて、電極２に到達することができない。所謂スケ
ールアウトの状態になる。

【００１３】従って、気体の運動がはげしい時はイオン
粒子のスピードも早くしなければならない。その為に加
速電源３の電圧を気体の運動状況に応じて増減し、セン
サの感度を変化させる。即ち強い気体の運動に対しては
、加速電源３の電圧を強くして感度を低下させ、弱い気
体の運動に対しては、加速電圧を弱くして感度を向上さ
せる。そして最適のセンサの感度を得るようにする。 このことは本センサが広い範囲の気体の運動に対応でき
ることを意味している。

【００１４】本センサを風速計として使用する時の被測
定気体粒子の運動速度は、ｍｍ／ｓから数１０ｍ／ｓの
間にある。本センサをマイクロホンとして使う場合の気
体粒子の運動速度は、６０ｄｂの音圧の時で、サイン波
形として、４６μｍ／ｓ（ｒｍ．ｓ）８０ｄｂの音圧で
４６０μｍ／ｓ（ｒ．ｍ．ｓ）位である。即ちこの両者
で取扱う気体の速度に１００〜１０００倍の差がある。 これに従って加速電圧、電極の構造等に夫々の工夫が必
要である。

【００１５】図２は電極２の実施例を示す平面図である
。図２で２１と２２は電極、２３は絶縁性の溝、２４は
電線、２５は差動増幅器、２６はイオン流７の当たる所
である。電極２１と２２は溝２３によって絶縁されて二
つの島を形成して、この両者で電極２となる。

【００１６】気体が静止している時にはイオン流７は、
点線で示した丸２６のように中心部の溝に対して、対称
の位置に当たるようにする。この時電極２１と２２に流
れ込むイオン電流の値は同じで、従って差動増幅器２５
の出力は０である。

【００１７】今、気体が電極２の上を溝２３と直角に、
図示した矢印の方向に動いたとすると、イオン流７は動
いて丸２６は図上で上方向に動く。そうすると電極２１
のイオン流は減少し、２２のイオン流は増加する。この
為、差動増幅器２５の入力に差を生じて出力を発生する
。この電極構造は、図１の単一電極より一般的には敏感
で良好なＳ／Ｎのセンサを得易い。

【００１８】電源２１，２２の二分割方式では、気体の
運動方向によって感度が異なる。感度を最善にするには
、溝２３の方向を気体の運動方向と直角をなすようにす
る。この作業を自動的に行う為の電極構造を次に示す。

【００１９】図３は、電極２を多数の溝２３で区切って
、島の数を増加させたものの構造示す。２８は分割され
た電極である。電極２は全体としては円形であり、中心
を通る多数の溝２３で中心から点対称に多くの電極２８
に分けられる。イオン流７は、図２の場合と同じく、静
止気体の場合、電極２の中心に来るようになされる。

【００２０】図３で、各電極２８のイオン流の値を高速
でサンプリングする。例えば、高速Ａ／Ｄ変換器で１０
０μｓ位の間で全電極をサンプリングする。その時の最
高値を示す電極２８と最低値を示す電極２８を結ぶ線が
気体の移動方向を示している。従って、この線とほぼ直
角に近い溝で分けられた、二つのグループに電極を分け
、各グループの和の差を取ると、最高の感度が得られる
。この作業はソフトウェアによって構成される。

【００２１】図２に示したイオン流７の当たる場所を示
す丸２６の大きさは、風速計の場合は気体の移動距離が
大きいから、ある程度の大きさが必要であり、又、大き
くても充分な感度をもっている。しかし、マイクロホン
の場合は検出すべき気体の移動距離が極めて小さいから
、丸２６は極度に小さくする必要があり、又、溝２３も
狭くする必要がある。

【００２２】図４はイオン流７をしぼる手段を示してい
る。図４で４１は電子レンズである。イオン流７は電荷
をもった流れであるから、電子レンズによってこれを一
定の大きさに収束させることができる。電子レンズとし
ては静電レンズと電磁レンズが使用できる。マイクロホ
ンの場合はこのような手段が是非必要である。又、この
場合イオン流７が電極２の上から風によって吹き飛ばさ
れないような適当な風防の手段が必要なことは勿論であ
る。

【００２３】図５は他の電極構造をもつ本発明の他の実
施例を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は側面図であ
る。図５で５１は円筒状構造体、５２と５３は電極、５
４は溝、５５は同位体５６の絶縁物の支持体である。図
５で電極５２，５３は絶縁性の溝５４で、二つに分割さ
れた円筒形の電極で構造体５１の内面にとりつけられ、
電極２を形成している。この二つの電極は、図示されて
いない差動増幅器の二つの入力端子に導かれる。放射性
同位体５６は円筒５１の中心で溝５４に向い合った位置
に支持体５５で支えられている。放射性同位体５６は細
長い棒状のものが適している。

【００２４】図５のセンサの作用は図２の場合と同じで
、これは電極２が円筒形である点が図２と違うだけであ
る。図５の矢印方向の気体の運動に応答する。図５のセ
ンサは、同位体５６の形状を気体の流れに従って細長く
できるので、風速の変化と電気的な出力の変化の直線性
を得易く、又、応答範囲を広くとれる。又、図５の形式
は風の抵抗が少ないので、風にあまり擾乱を与えること
なく測定できるから、風速計として適している。

【００２５】図６は、図５のセンサを風速計用にした時
の一実施例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図で
、６１は方向舵、６２はベアリング、６３は支持柱であ
る。 図６でセンサ５１はベアリング６２によって、支持柱６
３を中心として回転自在に支持されている。風が吹いて
くると、方向舵は風の向きと一致した時に最も風の抵抗
が少ないので風の向きとセンサ５１の長手方向が一致す
るようにセンサ５１を回転させる。

【００２６】以上の説明では、気体をイオン化させるの
に、放射性同位体を使用するとしたが、これの代りに針
状電極等と、高圧電界によって気体のイオン化をしても
同じ目的を達することができる。しかし、この場合は電
圧を広範囲に変化させることができないから（低電圧で
はイオン化が起らない）、用途は風速計としての一部に
とどまる。即ち、放射性同位体を用いることによって、
用途を広範囲に広げられる。

【００２７】

【発明の効果】測定しようとしている気体の一部をイオ
ン化することにより、被測定物そのものをセンサの一部
として取り込むことができる。これによって早い応答特
性をもって気体の運動を知ることができる。

【００２８】測定時に被測定物に与える擾乱が非常に少
ないので、気体の運動の実体をほぼ正確に知ることがで
きる。

【００２９】従来のマイクロホンの振動板のようなもの
を用いないので、超低周派迄の気体の運動をとらえるこ
とができる。

【００３０】加速電源を可変にすることによって、広範
囲に感度を可変にすることができる。

【００３１】吸着電極を二つに分割することによって、
高いＳ／Ｎと感度を得ることができる。

【００３２】吸着電極を多数に分割することによって、
風速計としては風速と風向の双方を知ることができるし
、マイクロホンとしては音圧と音源の方向を自動的に検
出できる。そして、センサを常に最高感度の方向で使う
ことができる。

【００３３】イオン流を電子レンズで収束することによ
って、高感度のセンサを得ることができる。

【００３４】棒状の放射性同位体を円筒状の二つに分割
された電源でかこむことによって、風に与える擾乱の少
ない、測定範囲の広い風速計を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す簡略構造図である。

【図２】電極の一実施例を示す平面図である。

【図３】電極の他の実施例を示す平面図である。

【図４】イオン流を集束する手段を示す図である。

【図５】（ａ）は本発明の他の実施例を示す断面図であ
る。 （ｂ）は同じくその側面図である。

【図６】（ａ）は図５のセンサを風速計に応用した実施
例の正面図である。 （ｂ）は同じくその側面図である。

【図７】気体の運動と出力変動との関係を示す図である
。

【符号の説明】

１　　　　　　イオン発生電極 ２　　　　　　イオン吸着電極 ３　　　　　　加速電源 ４　　　　　　抵抗 ５　　　　　　増幅器 ６　　　　　　出力端子 ７　　　　　　イオン流 ２１，２２　　イオン吸着電極 ２８　　　　　　イオン吸着電極 ４１　　　　　　電子レンズ ５２，５３　　イオン吸着電極 ５６　　　　　　放射性同位体

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被測定気体の一部をイオン化するイオ
   ン発生電極と、イオン化した気体を吸着するイオン吸着
   電極と、イオン化した気体を該吸着電極に向って加速す
   る電源と、該吸着電極に流れるイオンによる電流値を検
   出する手段とからなることを特徴とする気体の運動セン
   サ。
2. 【請求項２】　　イオン発生電極に、放射性同位体を用
   いたことを特徴とする請求項１記載の気体の運動センサ
   。
3. 【請求項３】　　イオン発生電極に針状電極を用いたこ
   とを特徴とする請求項１記載の気体の運動センサ。
4. 【請求項４】　　加速電源の電圧を可変としたことを特
   徴とする請求項１，２又は３記載の気体の運動センサ。
5. 【請求項５】　　イオン吸着電極を二つ以上の複数に分
   割された電極の集合体として構成したことを特徴とする
   請求項１，２，３又は４記載の気体の運動センサ。
6. 【請求項６】　　イオン化された気体を集束するための
   電子レンズを具えたことを特徴とする請求項１，２，３
   ，４又は５記載の気体の運動センサ。
7. 【請求項７】　　イオン吸着電極を円筒状に形成し、そ
   の中心に同心に、放射性同位体を設けたことを特徴とす
   る請求項１，２，３，４又は５記載の気体の運動センサ
   。