(57)【要約】【課題】気泡の発生の有無を検出する気泡検出装置を提供する。【解決手段】所定周期の超音波を測定対象である気泡に対して送信し、前記気泡からの反射波を受信して電気信号（第２の電気信号２４）に変換する振動子１０と、前記振動子１０を駆動するとともに、前記第２の電気信号２４を処理する制御装置２０と、を備えた気泡検出装置１００であって、前記制御装置２０は、前記第２の電気信号２４を所定時間積分して積分値を算出し、当該積分値と予め設定された閾値との差分に応じて、前記気泡の存在の有無を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周期の超音波を測定対象である気泡に対して送信し、前記気泡からの反射波を受信して電気信号に変換する振動子と、
前記振動子を駆動するとともに、前記電気信号を処理する制御装置と、
を備えた気泡検出装置であって、
前記制御装置は、前記電気信号を所定時間積分して積分値を算出し、当該積分値と予め設定された閾値との差分に応じて、前記気泡の存在の有無を検出することを特徴とする気泡検出装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記気泡が存在すると検出した場合、さらに、前記所定時間における少なくとも１つの時刻における前記電気信号のレベル、及び時間微分と、予め設定された信号のレベル、及び予め設定された時間微分とを比較し、比較結果に基づいて前記気泡の形状を検出することを特徴とする請求項１に記載の気泡検出装置。
【請求項３】
前記気泡は、船舶の船底に設けられた気泡発生装置が発生する気泡であることを特徴とする請求項１または請求項２いずれか一項に記載の気泡検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、気泡によって船舶の船底に作用する水による摩擦抵抗を低減する空気潤滑（Air Lubrication）法（以下、ＡＬ法と称する）を用いた船舶が知られている。例えば、特許文献１には、ＡＬ法を用いた摩擦抵抗低減船が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の摩擦抵抗低減船では、船舶の船首部から船尾部に至る船底の部分に気泡発生装置を設けている。船舶の航行時に、航行速度より僅かに速い流速で気泡発生装置から気泡を含む気泡水を噴き出すと、気泡が水流とともに船底の表面に沿って後方へ拡散しながら移動し、船底の浸水部を覆う。これにより、船舶の航行時における船舶の船底における水との摩擦抵抗を低減するとともに、気泡の上昇力を推力の一部として利用し、燃費などの推進効率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１１８２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来、上記のようなＡＬ法を用いた摩擦抵抗低減船において気泡発生装置が発生する気泡を観測する場合、船底に水中カメラを取り付けて、実際の気泡を観測していた。このように水中カメラで気泡を観測する場合、カメラの部品、或いは取り付け部などが水中にあるために経年劣化し、定期的に交換を行なう必要があった。また、特に海水中に静止状態で置かれる場合、フジツボなどの海中生物が付着しやすく、交換、クリーニングなどの定期的な作業が発生していた。すなわち、従来において、水中カメラで気泡観測する場合、気泡を観測するためのコストを上昇させていた。また、水中カメラにより撮像した画像を処理して気泡の存在の有無を検出するため、容量の大きい画像信号の処理が必要となり、信号処理が煩雑になるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の気泡検出装置は、所定周期の超音波を測定対象である気泡に対して送信し、前記気泡からの反射波を受信して電気信号に変換する振動子と、前記振動子を駆動するとともに、前記電気信号を処理する制御装置と、を備えた気泡検出装置であって、前記制御装置は、前記電気信号を所定時間積分して積分値を算出し、当該積分値と予め設定された閾値との差分に応じて、前記気泡の存在の有無を検出することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の気泡検出装置において、前記制御装置は、前記気泡が存在すると検出した場合、さらに、前記電気信号のレベル、及び時間微分に基づいて、前記気泡の形状を検出することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の気泡検出装置において、前記気泡は、船舶の船底に設けられた気泡発生装置が発生する気泡であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、振動子とともに気泡検出装置を構成する制御装置を水中に配置する必要はないため、定期的な交換を行なう必要がなくなる。また、振動子は走行中などの気泡発生時は振動しているため、海水中に静止状態で置かれる期間が少なく、生物が付着する可能性が低いため、交換、クリーニングなどの定期的な作業は発生しにくい。そのため、従来に比べて、気泡を検出するためのコストを削減できる。また、制御装置が電気信号の積分値を予め設定された閾値と比較するので、画像処理等の複雑な信号処理を必要とせず、気泡の存在の有無を簡単に検出することが可能な気泡検出装置を新たに提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の気泡検出装置１００が一例として配置される船舶を、船底側からみた図である。
【図２】気泡検出装置１００の構成を示すブロック図である。
【図３】振動子１０の機能を説明するための図である。
【図４】第２の電気信号２４の時間変化を示す図である。
【図５】制御部２１による気泡の存在の有無の検出を説明するための図である。
【図６】制御部２１による気泡の形状の検出を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態の気泡検出装置１００が一例として配置される船舶を、船底側からみた図である。なお、ここでは、気泡検出装置１００を船舶に配置する例について説明するが、本実施形態の気泡検出装置１００は船舶に限定して用いられるものではない。本願発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。
【００１２】
図１においては、船舶４０を船底側から見ており、船舶４０を、船首側（前側）が図面右側、船尾側（後側）が図面左側となるように示している。
気泡発生装置５０は、船舶４０の船底において、前側に配置される。気泡発生装置５０は、船舶４０の航行時に、気泡を発生する。
気泡が、水流とともに船舶４０の船底の表面に沿って後方へ拡散しながら移動し、船舶４０の船底の浸水部を覆う。これにより、船舶４０の航行時における船舶４０の船底に対する水の摩擦抵抗を低減する。
【００１３】
振動子１０は、船舶４０の船底において、気泡発生装置５０と船舶の後側との間に設けられる。振動子１０は、気泡検出装置１００（図１において不図示）の一部を構成し、気泡に対して超音波を出力するとともに、気泡から反射される超音波が入力される。以下、振動子１０を含んで構成される気泡検出装置１００について図面を参照しつつ詳述する。
【００１４】
図２は、気泡検出装置１００の構成を示すブロック図である。また、図３は振動子１０の機能を説明するための図である。また、図４は、第２の電気信号２４の時間変化を示す図である。
気泡検出装置１００は、制御装置２０と、振動子１０とを備える。制御装置２０は、制御部２１、記憶部２５を含んで構成される。
制御部２１は、例えばマイコン等で構成され、パルス信号発生回路２２を有している。制御部２１は、このパルス信号発生回路２２から、所定周期のパルスである第１の電気信号２３を発生させ、第１の電気信号２３により振動子１０を駆動する。また、制御装置２０は、振動子１０から第２の電気信号２４が入力され、この第２の電気信号２４に対して後述する処理を行い、気泡発生装置５０が発生する気泡を検出する。
記憶部２５には、制御装置が第２の電気信号２４に対して処理を行う際に用いる閾値、信号レベル、信号の時間微分（信号の傾き）などが予め記憶されている。
【００１５】
振動子１０は、図３に示すように、制御部２１からの第１の電気信号２３を超音波ＵＳに変換して、船舶４０の船底から水中に対して超音波ＵＳを発信する。超音波ＵＳは、水中の気泡により直接反射されるか、或いは振動子１０と気泡との間、および気泡と気泡の間で乱反射（反射及び減衰）され、振動子１０に再び入力する。もちろん、超音波ＵＳに対する反射、乱反射の程度は、気泡の大きさ、水流における気泡の密度、あるいは、振動子１０と気泡を含む水流との距離、気泡を含む水流の幅（厚み）により、異なったものとなる。なお、水流の厚みとは、船舶の進行方向に対して垂直方向、すなわち深さ方向における気泡を含む水流の厚みである。振動子１０は、水中からのエコー（残響）として入力される超音波を第２の電気信号２４に変換して制御部２１に対して出力する。
【００１６】
制御部２１には、図４に反射レベルを示す第２の電気信号２４が入力される。図４では、第２の電気信号２４の電圧レベル（反射レベル）を縦軸に、第１の電気信号２３の出力直後を時刻０として時刻０からの時間を横軸にプロットしている。図４に示すように、気泡から反射若しくは乱反射された超音波の第２の電気信号２４への変換後の反射レベルは、時間の経過とともに減衰する波形となる。この反射レベルの大きさは、気泡の存在の有無により、変化する。
【００１７】
図５は、制御部２１による気泡の存在の有無の検出を説明するための図である。
制御部２１は、第２の電気信号２４を、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２の所定時間積分し、面積（積分値）を算出する。
記憶部２５には、気泡発生装置５０から形状の異なる気泡を発生させ、第２の電気信号２４における時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２の積分値を求める実験を行なった場合の複数の積分値に基づいて、気泡の存在の有無を判定する閾値を予め記憶させておく。
制御部２１は、第２の電気信号２４の積分値が予め設定された閾値以上の場合、気泡ありと判定し、第２の電気信号２４の積分値が予め設定された閾値未満の場合、気泡なしと判定する。
【００１８】
また、制御部２１は、第２の電気信号２４の所定時刻における電圧レベル、及び第２の電気信号２４の時間微分（傾き）に基づいて、気泡の形状を検出する。図６は、制御部２１による気泡の形状の検出を説明するための図である。
図６においては、曲線Ｌ０は、図５に示す第２の電気信号２４の電圧レベル（反射レベル）を示している。また、曲線Ｌ１は、例えば、同じ大きさ、密度の気泡を含む水流の厚みが厚くなった場合、曲線Ｌ０が示す反射レベルの時間変化に対して、ほぼ一定レベルが反射レベルに重畳される様子を示している。また、曲線Ｌ２は、曲線Ｌ０の場合と水流の厚みが同じとして、気泡の大きさが曲線Ｌ０の場合に比べて小さくなるか、或いは、密度が曲線Ｌ０の場合に比べて疎になった場合を示している。気泡の密度が疎になることは、超音波ＵＳの気泡における残留時間が短くなり、反射或いは乱反射の程度も小さくなり、図６において、例えば曲線Ｌ０が曲線Ｌ２になる様に、第２の電気信号２４が早く減衰しやすくなる。
【００１９】
このように、制御部２１は、気泡の形状（気泡を含む水流の厚み、気泡の大きさ、密度）を検出するため、第２の電気信号２４に対して処理を行う。
制御部２１は、第２の電気信号２４に対する時間微分、すなわち第２の電気信号２４の傾きを、所定時間（時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２）の間で算出し、これを記憶部２５に予め記憶されたている傾きと比較し、気泡の大きさ、密度を検出する。
記憶部２５は、予め実験で算出されたある気泡（気泡１とする）に対する、時刻Ｔ１、及び時刻Ｔ２における第２の電気信号２４の電圧レベルと時間微分をテーブル形式で記憶している。このテーブルは、気泡１を含む水流の複数の厚さそれぞれに関連付けられて、時刻Ｔ１、及び時刻Ｔ２における第２の電気信号２４の電圧レベル、及び時間微分を記憶している。また、記憶部２５は、気泡１以外の他の気泡（気泡２、・・・・、気泡Ｎとする）に関しても、時刻Ｔ１、Ｔ２における電圧レベル、及び時間微分を、気泡を含む水流の厚みに関連付けて気泡の種別（気泡１、２、・・・、Ｎうちのどの気泡であるか）毎に記憶している。
【００２０】
制御部２１は、例えば、曲線Ｌ０に対して、時刻Ｔ１における微分値ｄｉｖＬ０（Ｔ１）、時刻Ｔ２における微分値ｄｉｖＬ０（Ｔ２）を算出する。そして、時刻Ｔ１、Ｔ２における第２の電気信号２４の電圧レベル、及び傾きと、記憶部２５に予め記憶された第２の電気信号２４の電圧レベル、及び傾きと一致するか否かを判定し、気泡の種別、気泡の形状を決定する。なお、判定においては、例えば、第２の電気信号２４の電圧レベル、及び傾きの値（この場合４値となる）各々と、対応する記憶部２５における各々の値が、それぞれ所定の誤差値以内にある場合に、気泡の大きさ、気泡の密度、気泡を含む水流の厚みが決定されたものと判定される。また、気泡の大きさ、気泡の密度、気泡を含む水流の厚みが決定されるまで記憶部２５内の検索（サーチ）が行なわれる。
【００２１】
また、ここでは、時刻Ｔ１、及び時刻Ｔ２の２ポイントの時刻Ｔ２で判定を行う例について示したが、予め実験において求め記憶部２５に記憶させるデータも増えるが、比較するポイントを増やして、更に多くの時刻について判定を行ってもよい。また、傾きについて記憶部２５が記憶する構成としたが、例えば時刻Ｔ１における第２の電気信号２４のレベルが半分の大きさとなる半減期を、傾きの替りに用いてもよい。この場合、比較に用いられる値は、時刻Ｔ１における第２の電気信号２４のレベルと半減期が、気泡を含む水流の厚みに関連付けられて記憶され、制御部２１は、記憶された値と、測定により得られた第２の電気信号２４のレベル、及び半減期とを上述のように比較し、気泡の形状の検出を行う。
【００２２】
このような構成により、例えば、第２の電気信号２４の時間変化が、図６に示す曲線Ｌ０〜曲線Ｌ２のいずれとなっても、記憶部２５に記憶された時刻Ｔ１、Ｔ２における電圧レベル、時間微分（傾き）から、気泡の形状（気泡の大きさ、密度と、気泡を含む水流の厚み）を検出することができる。なお、記憶部２５に該当する気泡のデータが存在しない場合は、ユーザに該当する気泡が存在しない旨を周知する構成にしてもよい。また、この新たな気泡のデータを記憶部２５に記憶させ、次回の気泡の検出からこの新たな気泡の検出を行なう構成としてもよい。また、検出する気泡の状態はいつも同じではない。そのため、気泡検出の際、複数回の測定を行い、得られた複数の第２の電気信号２４の平均を求めて、すなわち第２の電気信号２４の各時間での電圧レベルの平均値を求めて、この平均値が示す時間変化を新たな第２の電気信号２４として、上述した演算を行う構成としてもよい。このようにすれば、気泡の存在の有無、気泡の形状の検出を行なう際の検出精度を向上することができる。
【００２３】
このように、本発明の気泡検出装置１００は、所定周期のパルスである第１の電気信号２３を超音波ＵＳに変換して、変換後の超音波ＵＳを測定対象である気泡に対して送信し、気泡からの反射波を受信して第２の電気信号２４（電気信号）に変換する振動子１０と、第１の電気信号２３を生成して振動子１０を駆動するとともに、第２の電気信号２４を処理する制御装置２０と、を備えた気泡検出装置である。また、制御装置２０は、第２の電気信号２４を所定時間（時刻Ｔ１〜Ｔ２）積分して積分値を算出し、当該積分値と予め設定された閾値との差分に応じて、気泡の存在の有無を検出することを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、振動子１０とともに気泡検出装置１００を構成する制御装置２０を水中に配置する必要はないため、定期的な交換を行なう必要がなくなる。また、振動子１０は走行中などの気泡発生時は振動しているため、海水中に静止状態で置かれる期間が少なく、生物が付着する可能性が低いため、交換、クリーニングなどの定期的な作業は発生しにくい。そのため、従来に比べて、気泡を検出するためのコストを削減できる。また、制御部２１が第２の電気信号２４の積分値を予め設定された閾値と比較するので、画像処理等の複雑な信号処理を必要とせず、気泡の存在の有無を簡単に検出することが可能な気泡検出装置１００を新たに提供できる。
【００２５】
また、気泡検出装置１００において、制御装置２０は、気泡が存在すると検出した場合、さらに、所定時間（時刻Ｔ１〜Ｔ２）における少なくとも１つの時刻（時刻Ｔ１、Ｔ２）における第２の電気信号２４（電気信号）のレベル、及び時間微分と、予め設定された信号レベル、及び予め設定された時間微分（記憶部２５に記憶される）とを比較し、比較結果に基づいて気泡の形状を検出することを特徴とする。
この構成によれば、気泡の存在の有無だけでなく、気泡の形状も検出することが可能な気泡検出装置１００を新たに提供できる。
【００２６】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態の説明では、振動子１０を船舶４０の船底に１個設ける構成について説明したが、振動子１０を異なる位置に複数個配置する構成としてもよい。この場合、１つの制御装置２０が、振動子１０から入力される第２の電気信号２４各々を個別に処理して、各振動子１０が設けられた位置における気泡の存在の有無、及び気泡の形状を検出する構成としてよい。また、このように得られた各振動子１０での気泡の検出結果に差がある場合、気泡発生装置５０が発生する気泡の形状を変更するようにしてもよい。例えば、振動子１０を、船舶４０の船底に、船首から船尾への中心線に対して同じ距離に位置するように２個配置したとする。船舶４０が直進している場合、船舶４０の燃費などの推進効率を考えると、左右の振動子１０で同じ形状の気泡が検出されることが望ましい。そこで、左右の振動子１０で同じ形状の気泡が検出されない場合、気泡発生装置５０が発生する気泡の量を左右で異なるものとし、左右の振動子１０で検出する気泡の形状が同じになるように制御し、船舶４０の推進効率を向上する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１０…振動子、２０…制御装置、２１…制御部、２２…パルス信号発生回路、２３…第１の電気信号、２４…第２の電気信号、２５…記憶部、４０…船舶、５０…気泡発生装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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