JPH09304422A - 風向風速計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可動部がなく高い信頼性を確保できるように
改良された風向風速計を提供するにある。 【解決手段】 固定基台に対して鉛直方向に向かう中心
軸に対して対称形状に片持梁状に延長された受風体と、
先の中心軸の方向に進行する光ビームが先の受風体に当
たる風により変位する光ビームの位置を検出する位置検
出フオトダイオードとを具備し、先の位置検出フオトダ
イオードから得られる位置情報から先の風の方向と速さ
とを演算するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気象・建設・環境
などの分野で風の方向と速さとを知るために使用される
風向風速計に係り、特に、可動部がなく高い信頼性を確
保できるように改良された風向風速計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の風向風速計の受風体と支持
部の一部を示した側面図、図６はそのＡ−Ａ´断面を矢
印方向にみた断面図である。このような風向風速計は、
例えば特開昭５６−６１１１号などに開示されている。
以下、この風向風速計についてその概要を説明する。

【０００３】１は受風体であり、この受風体１は下方の
鉛直支軸に対して対称な中空の球状体からなり、受風体
１の中心を向いた断面が円形をした可撓性支軸２で支持
されている。

【０００４】可撓性支軸２の一部３は、等辺角形に加工
され、その各面に軸方向に沿って歪測定用の検出素子、
つまり歪ゲージ４が接着剤によって張り付けられてい
る。可撓性支軸２の下端部はブッシュを介してパイプか
らなる取付支柱５に固定されている。

【０００５】取付支柱５はその周囲に離間して固定され
た複数個のワイヤ６により地上の固定基台に取り付けら
れ受風体１を所定の高さに保持し、所定の位置に固定で
きるようになっている。

【０００６】地上の固定基台に取付支柱５を固定するに
際しては、歪ゲージ４を張り付ける一部３の面が図６に
示すように東Ｅ、西Ｗ、南Ｓ、北Ｎの方位にそれぞれ正
対するようになされる。ワイヤ６は取付支柱５の風によ
り生じる振動を防ぐためのものでもあり、必要があれば
ダンパーをワイヤ６に付加しても良い。

【０００７】この構成により風速と風向を測定するに
は、例えば、南北方向と東西方向の受風体１に対する抗
力を歪ゲージ４のそれぞれの歪の相違によって生じる抵
抗の変化によって測定し、測定された南北方向の抗力Ｄ
_SNと東西方向の抗力Ｄ_EWとをベクトル合成した後、わず
かな温度補正と開平演算とを行うことにより求めること
ができる。

【０００８】具体的には、ベクトル合成して求められた
風による抗力をＤとすると、この抗力Ｄと求めようとす
る風速Ｖとの関係は、次式により求めることができる。 Ｄ＝ｋρＶ² ここに、ｋは受風体１の大きさと形状によって定まる定
数であり、ρは空気の密度である。

【０００９】この式を変形すれば、 Ｖ＝［Ｄ／（ｋρ）］^1/2 となるので、風速Ｖは空気密度ρに温度によるわずかな
補正と、開平演算を演算器にやらせることによって求め
ることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような風向風速計には、次に説明するような問題点があ
る。風による抗力を検出するのに、歪ゲージ４を用いて
いるので、この歪ゲージ４の貼り付けが難しい上に、経
時劣化の要因になりやすく、複数の素子を使用する関係
で素子間のバラツキをとるのも面倒である。

【００１１】さらに、歪ゲージ４は温度特性が必ずしも
良くないので、その温度補正が面倒であり、また信号レ
ベルも小さいので信号処理が大変であるなどの問題があ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、固定基台に対して鉛直方向
に向かう中心軸に対して対称形状に片持梁状に延長され
た受風体と、先の中心軸の方向に進行する光ビームが先
の受風体に当たる風により変位する光ビームの位置を検
出する位置検出フオトダイオードとを具備し、先の位置
検出フオトダイオードから得られる位置情報から先の風
の方向と速さとを演算するようにしたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。図１は本発明の実施の１形態を
示す構成図であり、無風状態における形状を示してい
る。１０は基礎部材であり、この基礎部材１０に例えば
矩形状の固定基台１１が固定されており、さらにこの固
定基台１１には受風体１２が固定されている。

【００１４】受風体１２は、パイプ状をなしており、固
定基台１１の水平面１１Ａに対して鉛直方向に向かう中
心軸Ｚに対して対称な形状で、かつ片持梁状に延長され
て固定されている。

【００１５】この受風体１２は、例えば金属パイプ或い
はガラスパイプなどで構成され、その頂部は端板１２Ａ
で閉じられており、この端板１２Ａには中心軸Ｚに対し
て直角になるように鏡１３の面が固定されている。

【００１６】また、固定基台１１の内部には、受風体１
２の中心軸Ｚに対応する位置に偏向ビームスプリッタ１
４が配置されており、この偏向ビームスプリッタ１４の
上部にはλ／４板１５が配置されている。

【００１７】偏向ビームスプリッタ１４には、中心軸Ｚ
に対して直角方向である水平方向から光ビームＬＢが入
射されている。この光ビームＬＢは駆動装置１６により
制御される発光源１７からレンズ１８を介して幾分集光
されぎみの平行光とされて偏向ビームスプリッタ１４に
送出される。発光源１７としては、例えば、半導体レー
ザ（ＬＤ）やＬＥＤ、或いは気体・固体レーザなどが用
いられる。

【００１８】この場合、偏向ビームスプリッタ１４の偏
向方向と光ビームＬＢの偏向方向を９０°ずらしておく
ことにより、光ビームＬＢのほぼ１００％が偏向ビーム
スプリッタ１４で反射される。

【００１９】偏向ビームスプリッタ１４の下方には、分
割ダイオード、位置検出ダイオード（ＰＳＤ）、或いは
ダイオードアレイなどの光ビームの位置を検出すること
のできる受光素子１９が配置されている。この受光素子
１９で検出された光信号Ｐｓは、演算装置２０で信号処
理がなされて、風速信号Ｗｓ及び風向信号Ｗｄに変換さ
れて出力される。

【００２０】次に、以上のように構成された実施の態様
の動作について説明する。まず、風がないときの動作に
ついて図１を参照して説明する。この場合は、受風体１
２は風がないので変位されず固定基台１１の水平面１１
Ａに対して直角を維持している。

【００２１】発光源１７から出た光ビームはレンズ１８
を通り偏向ビームスプリッタ１４に入射され、この偏向
ビームスプリッタ１４で９０°折り返えされて、λ／４
板１５に出射されるが、ここで偏向方向が４５°回転さ
れる。

【００２２】この後、中心軸Ｚに沿って上方に向かった
光ビームは頂点の鏡１３で反射され、同じ中心軸Ｚを戻
ってきた光ビームはλ／４板１５で再び偏向方向が４５
°回転される。

【００２３】したがって、全体として往路と復路で偏向
方向が９０°回転した光ビームは、偏向ビームスプリッ
タ１４を真直ぐ透過して、例えば４分割フオトダイオー
ドで構成された受光素子１９に入射され、ここで電気信
号に変換されて光信号Ｐｓとして演算装置２０に入力さ
れる。

【００２４】演算装置２０は、４分割フオトダイオード
で構成された受光素子１９から出力された４つの光信号
Ｐｓを用いて信号処理を行って、風速信号Ｗｓと、風向
信号Ｗｄを演算して出力する。

【００２５】次に、図２、図３を用いて受風体１２に風
が当たったときの動作について説明する。図２は風によ
り受風体１２が変位したときの断面図、図３は受光素子
を上面から見たときに光スポットが当たった状態を示し
ている。

【００２６】この場合、無風状態のときに、光ビームが
受光素子１９に入射したときに、図３に示すようにｘ−
ｙ軸の原点に中心をもつ点線の円になるように４つのフ
オトダイオード〜の位置を調整しておくと、４つの
ダイオード〜から出力される光信号Ｐｓは等しい大
きさとなる。

【００２７】しかし、図の左手から西風Ｗ_Wが受風体１
２に吹くものとするすると、受風体１２は変形して右側
に変位する。したがって受風体１２の頂点に配置されて
いる鏡１３は水平に対して角度を持つ。

【００２８】この結果、入射した光ビームとは少し異な
る方向に反射してλ／４板１５、偏向ビームスプリッタ
１４を介して４分割フオトダイオードである受光素子１
９に入射する。

【００２９】したがって、光スポットは図３の実線で示
すように中心からずれて４分割フオトダイオード〜
に入射するので、このずれ量と４つの４分割フオトダイ
オード〜から出力される光信号Ｐｓのどれが大きい
かを知れば、風速信号Ｗｓと、風向信号Ｗｄを知ること
ができる。

【００３０】具体的には、ｘ軸方向（東西方向）の信号
をＸとすると、信号Ｘは Ｘ＝（ダイオードの光信号＋）−（ダイオードの光
信号＋） となる。

【００３１】また、ｙ軸方向（南北方向）の信号をＹと
すると、信号Ｙは Ｙ＝（ダイオードの光信号＋）−（ダイオードの光
信号＋） となる。

【００３２】したがって、風速Ｖは Ｖ＝（Ｘ²＋Ｙ²）^1/2 で、風向θは θ＝tan^-1（Ｙ／Ｘ） の演算を演算装置２０で実行することにより求めること
ができる。ここで、Ｘ＞０のときは東向けの風、Ｘ＜０
のときは西向きの風となる。

【００３３】図４は本発明の変形された実施形態を示し
ている。図４（Ａ）、（Ｂ）は偏向ビームスプリッタと
λ／４板のない場合を示しており、このうち図４（Ａ）
は発光源２１と集光レンズ２２を固定基台２３側で、受
光素子２４を受風体１２の端板１２Ａ側に設けたもので
ある。

【００３４】このような構成によれば、風により受風体
１２が変位すれば４分割ダイオードで構成された受光素
子２４に当たる光ビームの位置が異なるので、どのダイ
オードからの光信号かを知ることにより、風向・風速を
検出することができる。

【００３５】また、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の場合とは
逆に、発光源２５と集光レンズ２６を端板１２Ａ側で、
受光素子２７を受風体１２の固定基台２３側に設けたも
のである。このような構成でも、図４（Ａ）の場合と同
様にして風向・風速を検出することができる。

【００３６】図４（Ｃ）は偏向ビームスプリッタの代わ
りに鏡を用いた変形実施形態を示している。この場合
は、鏡２７を用いて光ビームＬＢを中心軸Ｚに対して少
し傾けて鏡１３に放射し、反射された光ビームを受光素
子２８で検知する構成である。

【００３７】この場合も受風体１２が風により変位すれ
ば、受光素子２８に当たる光ビームの位置が異なるの
で、どのダイオードからの光信号かを知ることにより、
風向・風速を検出することができる。

【００３８】図４（Ｄ）は４分割フオトダイオード、Ｐ
ＳＤなどの代わりにピラミダルミラーとフオトダイオー
ドとを用いた変形実施形態を示している。この場合は、
受風体１２の端板１２Ａ側に発光源２９とレンズ３０と
を配置し、レンズ３０で中心軸Ｚに対して平行光として
光ビームをピラミダルミラー３１に送出し、ピラミダル
ミラー３１で９０°方向の水平方向に方向転換して送出
し受光素子３２、３３で受講する。このような構成によ
っても風による変位を検出することができる。

【００３９】図４（Ｅ）は光アイソレータを用いた変形
実施形態を示している。この場合は、固定基台２３側に
レーザ発光源３４、レンズ３５、光アイソレータ３６を
水平方向に配置し、光アイソレータ３６から出射した光
ビームをハーフミラー３７で中心軸Ｚ方向に送出し鏡１
３で反射した光ビームをハーフミラー３７を介して受光
素子３８でするように構成したものである。

【００４０】リターンレーザ光があり、これによりレー
ザ発光源３４が不安定な動作をするが、光アイソレータ
３６があると、レーザ発光源３４から光アイソレータ３
６を介して出射された光ビームは、反対方向に透過しな
いので、不安定な動作をすることが避けられる。

【００４１】図４（Ｆ）は本発明の更に他の変形実施形
態を示している。この場合は、固定基台２３側にハーフ
ミラー３９を配置して、光ビームＬＢを水平方向から入
射させ、中心軸Ｚ方向に出射し鏡１３で反射させてハー
フミラー３９を介して受光素子４０で受光する構成とし
たものである。

【００４２】なお、以上の各種の実施形態において、感
度の調整をするためには、第１に受風体の長さを変更す
る、第２に鏡１３の位置を下げる、第３に発光源の位置
をずらすなどにより、対応することができる。

【００４３】また、振動に対して強くするためには、受
風体の中に発光源と受光素子を組み込めば良い。さら
に、流量計、流速計、流向計などに応用するときは、受
講素子としては、方向が決まっているので２分割ダイオ
ードでもよい。

【００４４】この他に、受風体１２の先端部に球体を固
定することにより、風による抗力を受風体１２に拡大し
た変位として伝達して感度を上げるようにすることも、
球体の大きさを変更することにより感度の調節をするこ
ともできる。

【００４５】

【発明の効果】以上、発明の実施の形態と共に具体的に
説明したように本発明によれば、受風体が受ける風によ
る変位を光で検出する構成としたので、温度特性がよく
温度補正量を小さくすることができ精度のよい風向、風
速を測定することができる。

【００４６】また、本発明によれば、単に受風体の長さ
を大きくするだけで容易に測定レンジの変更ができるの
で、高感度の風向風速計を容易に実現することができ、
信号処理も容易となる。

【００４７】さらに、本発明によれば、歪ゲージのよう
な経時劣化の要因を持つ要素のない光による変位を計測
する構成であるので、長期に亘って安定に動作させるこ
とができる。

【００４８】このほか、本発明によれば、従来のように
複数の独立した歪ゲージを可撓性の支軸に貼り付けるも
のではなく、複数のフオトダイオードが一体になった位
置検出フオトダイオードを用いる構成であるので、素子
間のバラツキの問題が生じるような面倒がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施の形態を示す構成図である。

【図２】図１に示す実施の形態において風により受風体
が変位したときを示す断面図である。

【図３】図１に示す実施の形態において受光素子を上面
から見たときに光スポットが当たった状態を示す断面図
である。

【図４】図１に示す実施の形態の各種変形形態を示す断
面図である。

【図５】従来の風向風速計の受風体と支持部の一部を示
した側面図である。

【図６】図５においてＡ−Ａ´断面を矢印方向からみた
断面図である。

【符号の説明】

１、１２ 受風体 ２ 可撓性支軸 ４ 歪ゲージ ５ 取付支柱 ６ ワイヤ １０ 基礎部材 １１ 固定基台 １３ 鏡 １４ 偏向ビームスプリッタ １５ λ／４板 １６ 駆動装置 １７ 発光源 １８ レンズ １９、２４、２８、３２、３３、３８、４０ 受光素子 ２０ 演算装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定基台に対して鉛直方向に向かう中心軸
   に対して対称形状に片持梁状に延長された受風体と、前
   記中心軸の方向に進行する光ビームが前記受風体に当た
   る風により変位する光ビームの位置を検出する位置検出
   フオトダイオードとを具備し、前記位置検出フオトダイ
   オードから得られる位置情報から前記風の方向と速さと
   を演算することを特徴とする風向風速計。