(57)【要約】【課題】  物体の表面上の気流を検知する装置に於いて、表面形状・意匠に対する影響を少なくして、耐候性が高く、表面に沿った二次元の流れの流速と向きの検出が可能な構成を提供すること。【解決手段】  本発明の表面の流速流向検出装置は、表面上にて少なくとも３つの、多角形の頂点となる位置の各々に配置された通気孔と、それらの通気孔から気体を噴出する気体噴出手段と、それらの通気孔に於ける圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段の各々により検出された各圧力値を参照して、それぞれの通気孔から気体が噴出されることによる圧力変動が別の少なくとも二つの通気孔の各々に到達するまでの移流時間をそれぞれ計測する移流時間計測手段と、移流時間を用いて表面の気流の流速及び向きを決定する流速流向決定手段とを含む。【選択図】        図１
2019158603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の気流の流速流向検出装置であって、
流速が測定される表面上にて多角形の頂点となる位置の各々に配置された少なくとも３つの通気孔と、
前記通気孔の各々に於いて、それぞれ、気体を噴出する気体噴出手段と、
前記通気孔のそれぞれに於ける圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段の各々により検出された各圧力値を参照して、前記通気孔のうちの一つから気体が噴出されることによる圧力変動が前記通気孔のうちの別の二つの各々に到達するまでの移流時間を前記気体を噴出する通気孔を切換えてそれぞれ計測する移流時間計測手段と、
前記複数の移流時間を用いて前記表面上を流れる気流の流速及び流向を決定する流速流向決定手段と、
を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気流を検知する装置に係り、より詳細には、車両又はその他の移動体の表面など、任意の物体の表面上又は壁面上を流れる二次元的な気流の速度（流速）と向き（流向）とを検出する装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来より、物体の表面又は壁面上を流れる気流の流速を測定する技術として、種々の形式のものが知られている。例えば、特許文献１に於いては、気体が流れる流路内に於いて、流路の長手軸に平行な軸上に加熱要素と温度センサとを配置し、気体が流れている間に、加熱要素によって所定の時間変動するレベルのパワーを与えて気体中に熱マーカーを生成する一方、温度センサにて温度を時系列に測定して、熱マーカーに応答した温度の時系列の最大値に基づいて流速を示す測定信号を生成する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１３−５１６６２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従前の移動体等の表面の気流の状態をセンシングするための構成は、例えば、ピトー管の如く、表面に特定形状の突起物が必要であったり、粉、ガス又は熱を放出する形式のものであったりするところ、移動体表面の意匠に著しく影響を与え、或いは、耐候性・耐洗浄性が低いなどの問題を有し、特に、一般の自動車等には採用しにくいものであった。また、例えば、上記の特許文献１の如き熱の放出を伴う形式の構成の場合、屋外にて走行する移動体に於いては、熱マーカーが投入される気体の温度や熱容量が大きく変化するような流れ場(降雨などによる水滴が存在する場など)に対して、ロバスト性が担保出来ず、降雨や水はね等が予想されるボディ表面の流速計測に適用することは困難であり、また、熱放出を伴う場合、使用者が加熱されたセンサ周辺を触れないように注意する必要がある。更に、移動体の表面にて発生する気流の向きは、流管内の流れとは異なり、表面に沿った二次元の方向に種々変化し得るので、流速も表面に二次元の方向に計測できることが好ましい。
【０００５】
かくして、本発明の一つの課題は、任意の物体の表面又は壁面上を流れる気流を検知する装置に於いて、表面形状・意匠に対する影響をできるだけ少なくして、且つ、耐候性が高く、熱放出を伴わず、表面に沿った二次元の方向に流速の測定が可能な新規な構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、上記の課題は、表面の気流の流速流向検出装置であって、
流速が測定される表面上にて多角形の頂点となる位置の各々に配置された少なくとも３つの通気孔と、
前記通気孔の各々に於いて、それぞれ、気体を噴出する気体噴出手段と、
前記通気孔のそれぞれに於ける圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段の各々により検出された各圧力値を参照して、前記通気孔のうちの一つから気体が噴出されることによる圧力変動が前記通気孔のうちの別の二つの各々に到達するまでの移流時間を前記気体を噴出する通気孔を切換えてそれぞれ計測する移流時間計測手段と、
前記複数の移流時間を用いて前記表面上を流れる気流の流速及び流向を決定する流速流向決定手段と、
を含む装置によって達成される。
【０００７】
上記の構成に於いて、「通気孔」は、流速が測定される表面（被検知表面）上にて穿たれた気体が流通する小孔であってよい。「被検知表面」は、自動車等の車両の車体表面、航空機、船舶、ドローンなどのその他の移動体の胴体表面など、任意の物体の表面であってよく、平面であっても曲面であってもよい。「通気孔」が被検知表面上にて成す「多角形」とは、典型的には、三角形であり、好適には、正三角形であってよいが、これに限定されず、四点以上の頂点を持つ多角形であってもよく、「通気孔」は、４つ以上の位置に設けられていてもよい。複数の通気孔のそれぞれから気体を噴出する「気体噴出手段」は、コンプレッサやエンジン排気からの気体を、弁構造を介して、各通気孔から被検知表面の外側へ瞬間的に噴出し、被検知表面上に気流がなければ、渦流が各通気孔から被検知表面上の全方位に一様に移流するように構成されたものであってよい。「圧力検出手段」は、各通気孔に於ける圧力が検出できる任意の圧力センサであってよく、好適には、各通気孔内に設けられるが、各通気孔の近傍に設けられたものであってよい。「移流時間計測手段」は、上記の如く、圧力検出手段の各々により検出された各圧力値を参照して、一つの通気孔から気体が噴出されることにより生ずる圧力変動、即ち、渦流、が別の二つの通気孔（三つ以上の通気孔であってもよい。）の各々に到達するまでの移流時間を、気体を噴出させる通気孔を切換えながら、それぞれ計測する手段であってよい。具体的には、後の実施形態の欄に於いても説明される如く、通気孔として、第一、第二及び第三の通気孔が設けられている場合には、「移流時間計測手段」は、通気孔のそれぞれに備えられた圧力検出手段の圧力値を参照して、第一の通気孔から気体が噴出されるときには、その噴出時から、噴出による圧力変動が第二及び第三の通気孔の各々に到達するまでの第一及び第二の移流時間を計測し、第二の通気孔から気体が噴出されるときには、その噴出時から、噴出による圧力変動が第三及び第一の通気孔の各々に到達するまでの第三及び第四の移流時間を計測し、第三の通気孔から気体が噴出されるときには、その噴出時から、噴出による圧力変動が第一及び第二の通気孔の各々に到達するまでの第五及び第六の移流時間を計測するようになっていてよい。そして、それらの移流時間が得られると、後の実施形態の欄に於いて詳細に説明される如く、かかる移流時間と、各通気孔からの気体噴出による圧力変動の移流速度と、被検知表面上の気流の流速及び向きとの関係から、被検知表面上の気流の流速及び向きが検出されることとなる。
【０００８】
上記の本発明の装置の作動に於いては、被検知表面上の少なくとも三箇所に設けられた通気孔のうちの一つから気体を噴出することによって被検知表面上に渦流を発生し、かかる渦が別の二つの通気孔まで到達するのに要した移流時間を計測するという処理が、気体を噴出する一つの通気孔を切換えて実行され、これにより、それぞれの移流時間が取得される。ここに於いて、或る通気孔にて発生した渦流は、放射方向に伝播するところ、被検知表面上に気流が存在している場合には、渦流はその気流に重畳して進むこととなるので、渦流の伝播速度は、被検知表面上の気流に沿う方向には速くなり、気流と逆向きには遅くなる。従って、一つの通気孔から別の通気孔までの渦流の伝播に要した時間である上記の複数の移流時間の各々は、被検知表面上の気流の流速と向きとの関数となっているので、これらの移流時間の計測値を用いて、後に詳細に説明される態様にて、被検知表面上の気流の流速と向きとが算出できることとなる。
【０００９】
上記の本発明の構成によれば、渦流を発生するための気体を噴出する手段は、被検知表面上に穿たれた各通気孔の中に設けられ、又、各通気孔の圧力を検出する手段も、各通気孔の中或いは各通気孔の近傍表面に設けられればよいので、被検知表面上に突起物が突出する必要がなくなる点で有利である。また、被検知表面上の気流の流速及び向きの検出に要する計測値は、一つの通気孔から噴出した渦流が別の通気孔に到達するまでの移流時間となるので、粉や熱は用いられず、屋外にて走行する移動体上など、被検知表面上の気体の温度や熱容量が変化する流れ場に於いても、気流の流速及び向きの検出が可能である。更に、例えば、気体を噴出する通気孔と圧力を検出する部位を順々に切換える態様によれば、精度良く被検知表面上の気流の流速と向きとを検出できることとなる。
【００１０】
上記の本発明の装置の構成に於いて、圧力検出手段が各通気孔の中に装備されている場合には、通気孔から気体噴出手段により気体が噴出される度に、圧力検出手段上又はその周囲の汚れが洗浄されることとなるので、防汚性に於いて優れている。
【００１１】
また、上記の構成に於いて、気体噴出手段は、例えば、気体の圧力源と通気孔との間に設けられた弁を瞬間的に開弁するなどして、パルス状に気体を噴出するようになっていてよい。一つの通気孔から噴出した渦流が別の通気孔に到達する際の圧力変動波形は、典型的には、予め判っているので（例えば、圧力波形は、渦流の到着時に通常状態よりも一旦上昇し、その後、通常状態よりも低減し、通常状態に戻るよう変化する。）、圧力検出を行う通気孔に於いて、かかる波形が圧力検出手段の検出する圧力値に於いて検出されたときに、その通気孔に渦流が到来したと判定されてよい。具体的には、移流時間計測手段に於いて、各通気孔の圧力検出手段の検出する時系列の圧力値データ上にて渦流の到来したときの波形を検出する渦流波形検出手段が設けられてよく、各通気孔にて得られた時系列の圧力値データ上に於ける波形の検出のためには、例えば、渦流の到来時の典型的な波形パターンをテンプレートとして、相互相関法などが用いて、テンプレートの波形と圧力値データの波形とを照合する渦流波形照合手段が設けられ、時系列の圧力値データ上に於いて、テンプレートの波形と相関の高い箇所が渦流の到達時点として検出されるようになっていてよい。そして、一つの通気孔からの気体の噴出時点から、検出された渦流波形の発生時点までの時間が各移流時間として計測されてよい。更に、被検知表面上の気流の乱れが大きく、通気孔から噴出させた渦流の圧力変動波形が被検知表面上の圧力変動に埋もれてしまう場合には、渦流の圧力変動波形の振幅を増大すべく、通気孔から噴出させる気体の圧力を増大するようフィードバックが実行されてよい。
【発明の効果】
【００１２】
かくして、上記の本発明の構成に於いては、屋外にて走行する移動体の表面上などの被検知表面上に於いて、少なくとも三箇所に気体の噴出と圧力検出が可能な通気孔を設け、通気孔のうちの一つからの気体の噴出より発生した渦流が残りの二つの通気孔へ到達したことを圧力変動により検出するという処理を、気体を噴出する通気孔を切換えて実行し、一つの通気孔から別の二つの通気孔までの渦流の移流時間をそれぞれ計測し、それらの移流時間から被検知表面上の気流の流速と向きとが算出される。かかる構成に於いては、被検知表面上の或る箇所にて発生した渦流は、被検知表面上の気流に重畳して放射方向に伝播するため、渦流の或る方向の伝播速度が被検知表面上の気流の流速と向きによって変化する、という現象を利用して、被検知表面上の気流の流速と向きが検出される。かかる構成によれば、既に述べた如く、気流の流速及び向きを検出するために追跡する対象が気体の渦流であり、人体に触れても問題はなく、粉や熱を使用せず、屋外にて走行する移動体上などの温度や熱容量が変化する環境に於いても、気流の流速及び向きの検出に於けるロバスト性を担保できることが期待される。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１（Ａ）は、本発明による表面気流流速流向検出装置の実施形態の構成をブロック図の形式にて表した図である。図１（Ｂ）は、本発明による表面気流流速流向検出装置に於いて通気孔の一つから気体を噴出する際の弁制御信号の波形と通気孔の一つからの気体噴出により発生した渦流が別の通気孔に到達した際に通気孔に於ける圧力センサにて検出される圧力波形とを模式的に示した図である。図１（Ｃ）は、通気孔に隣接して圧力センサを設けた実施形態に於ける被検知表面の模式図である。
【図２】図２（Ａ）は、被検知表面上が無風状態にあるときに、通気孔の一つからの気体の噴出により生ずる渦流の伝播の様子を模式的に示した図である。図２（Ｂ）は、被検知表面上に気流（表面流）があるときに、通気孔の一つからの気体の噴出により生ずる渦流の伝播の様子を模式的に示した図である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｃ）は、被検知表面上の表面流の流速と流向とを検出するために、３つの通気孔のうちの一つにて気体噴出を行い、それによる渦流が別の二つの通気孔に到達するまでの移流時間を計測する処理を、気体を噴出する通気孔を順に切換えて実行する態様を説明する図である。
【符号の説明】
【００１５】
１０…被検知表面
２０…コンピュータ装置
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３…通気孔
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌｓ…気体流路
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…切換弁
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…切換弁の制御信号
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…圧力値データ
ＡＳ…気体圧力源
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…圧力センサ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。
【００１７】
装置の構成
本発明による表面気流流速流向検出装置の好ましい実施形態に於いては、端的に述べれば、自動車等の車両の車体表面、航空機、船舶、ドローンなどのその他の移動体の胴体表面など、任意の物体の表面（被検知表面）に於いて、後に説明される検出原理に基づいて、或る一箇所にて発生させた渦流が別の（少なくとも）二箇所へ到達するまでの時間（移流時間）を計測し、それらの移流時間に基づいて、被検知表面に於ける気流（表面流）の流速と向き（流向）とが検出される。
【００１８】
本実施形態の表面気流流速流向検出装置の一つの具体的な構成に於いては、図１（Ａ）を参照して、まず、表面流の流速・流向が検知される被検知表面１０上に、少なくとも三つの通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が形成され、それぞれ、気体流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３によって切換弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３へ接続される。通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、それぞれが被検知表面１０上で多角形の頂点と成るように配置される。図示の如く、３つの通気孔が設けられる場合、通気孔の成す三角形は、好適には、正三角形でよいが、これに限定されない。また、被検知表面１０は、平面であっても湾曲面であってもよい。通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のそれぞれの間隔は、後に説明される如く通気孔のうちの一つからの気体噴出によって生ずる渦流が散逸せずに別の通気孔まで到達可能な距離となるように設定され、それらの具体的な距離は、実験的又は理論的に若しくは適合により決定されてよい。切換弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、後に説明される態様にて、コンピュータ装置２０の弁制御部から与えられる制御信号Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に従って、気体流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を、気体圧力源ＡＳに接続された気体流路Ｌｓと圧力センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３とのいずれかへ選択的に接続するよう作動する。気体圧力源ＡＳは、例えば、コンプレッサやエンジンからの排気など、任意の気体の供給源であってよく、図１（Ｂ）左に描かれている如く、切換弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が、図中の弁制御信号波形に示されている如く、気体流路Ｌｓを気体流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のそれぞれへ瞬間的に連通することにより、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のそれぞれから、そこに於いて渦流が形成されるように、空気又は排気ガス等の気体が適当な圧力にて瞬間的に噴出させられる。そして、図１（Ｂ）右に描かれている如く、切換弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が、それぞれ、気体流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を通じて圧力センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３を通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３へ連通している状態に於いて、圧力センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３に於ける圧力を逐次的に検出し、検出した圧力値データＰ１、Ｐ２、Ｐ３をコンピュータ装置２０のデータ収集部へ送出する。かかる各通気孔の圧力値データに関して、別の通気孔に於いて発生した渦流が各通気孔上を通過するときには、図中の「圧力波形」に示されている如く、圧力値は、平常値から一旦上昇した後、平常値よりも低減してから平常値に戻る波形を描くことが判っている。従って、一つの切換弁が気体圧力源ＡＳを一つの通気孔へ連通した時刻から残りの通気孔にて上記の圧力波形が検出された時刻までの時間が、通気孔の一つで発生させた渦流が別の通気孔へ到達するまでの「移流時間」として計測されてよい。
【００１９】
上記の切換弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の切換及び開閉の制御と検出された圧力値データＰ１、Ｐ２、Ｐ３から表面流の流速・流向を決定する処理は、コンピュータ装置２０に於いて実行される。コンピュータ装置２０には、通常の態様にて、図示していない双方向コモン・バスにより相互に連結されたＣＰＵ、記憶装置、入出力装置（Ｉ／Ｏ）が装備され、切換弁の制御と表面流の流速・流向の決定のための各部の作動は、ＣＰＵに於いてプログラムを実行することにより達成されることとなる。コンピュータ装置２０に於いては、具体的には、切換弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３へそれらの切換と開閉の制御のための制御信号Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を与える弁制御部と、圧力値データＰ１、Ｐ２、Ｐ３を受容して通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のそれぞれに於ける時系列圧力データを調製するデータ収集部と、時系列圧力データに於いて渦流が通気孔上を通過する際に発生する圧力波形を検出する渦流波形検出部と、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のうちの一つで発生した渦流が別の二つまで到達するまでの「移流時間」を計測する移流時間計測部と、移流時間を用いて表面流の流速・流向を決定する流速・流向決定部とが構成される。
【００２０】
上記の構成に於いて、弁制御部は、一時に、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のうちの一つから気体が噴出され、別の二つにて圧力が検出されるよう切換弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の状態を制御するべく各弁へ制御信号Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を与えるようになっていてよい。具体的には、弁制御部によって、気体が噴出するよう選択された通気孔の切換弁は、既に述べた如く、瞬間的に気体が通気孔から噴出されるように気体圧力源ＡＳに接続された気体通路Ｌｓと通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３に接続された気体通路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３との間を開閉するよう制御され、圧力を検出するよう選択された通気孔の切換弁は、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３上の圧力が圧力センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３へ伝わるように気体通路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３と圧力センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３との間を開放するよう制御される。かくして、通気孔Ｈ１に於いて気体が噴出される際には、通気孔Ｈ２、Ｈ３に於ける圧力の検出が為され、通気孔Ｈ２に於いて気体が噴出される際には、通気孔Ｈ３、Ｈ１に於ける圧力の検出が為され、通気孔Ｈ３に於いて気体が噴出される際には、通気孔Ｈ１、Ｈ２に於ける圧力の検出が為されることとなる。
【００２１】
また、上記の構成に於いて、データ収集部は、各切換弁の状態を参照して、通気孔のうちの二箇所に於いて圧力センサにて逐次的に検出される圧力値の二つの時系列データを調製して渦流波形検出部へ送出し、渦流波形検出部は、上記の如く、圧力値の時系列データ上で通気孔上の渦流通過時に発生する圧力波形を探索する。渦流波形検出部に於ける渦流通過時の圧力波形の探索に於いては、具体的には、例えば、渦流の到来時に於いて典型的な波形パターンをテンプレートとして用いて、圧力値の時系列データ上にて波形パターンと圧力値データの波形とを照合する処理（渦流波形照合手段）が実行されてよい。かかる波形の照合処理に於いては、より具体的には、波形パターンと圧力値データとの相互相関関数を圧力値の時系列データに沿って演算し、相互相関関数値が極大となった時点が、対応する通気孔上に渦流が到来した時点として決定されてよい（相互相関法）。なお、渦流波形検出部に於ける渦流波形の検出は、その他の任意の手法によっても達成可能であり、それらの場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。そして、時系列の圧力値データに於いて、通気孔上に於ける渦流到来の時刻が決定されると、移流時間計測部に於いて、弁制御部により通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のうちの一つに於いて気体の噴出された時刻と通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のうちの残りの二つに於いて渦流到来が検出された時刻との間隔が移流時間として計測される。具体的には、例えば、通気孔Ｈ１に於いて気体が噴出される際に、通気孔Ｈ２、Ｈ３までの渦流の移流時間Δｔ１、Δｔ２が計測され、通気孔Ｈ２に於いて気体が噴出される際に、通気孔Ｈ３、Ｈ１までの渦流の移流時間Δｔ３、Δｔ４が計測され、通気孔Ｈ３に於いて気体が噴出される際に、通気孔Ｈ１、Ｈ２までの渦流の移流時間Δｔ５、Δｔ６が計測されてよい。かくして、流速・流向決定部は、移流時間（Δｔ１〜Δｔ６等）と通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３とのそれぞれの位置関係と用いて、後に説明される如く、被検知表面上の気流の流速と流向とを決定する。
【００２２】
上記の図１（Ａ）の構成に於いては、例えば、被検知表面が屋外にあったり、或いは、埃や塵の多い環境や汚損の激しい環境にあっても、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３に於いては、順に気体噴出が実行されることとなるので、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、埃、塵、汚れのない状態に保つことが可能となり、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３内に配置されている圧力センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の圧力検知能も汚れ等により損なわれずに維持されることが期待される。しかしながら、別の態様として、図１（Ｃ）に例示されている如く、圧力センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の外に配置されていてもよい。この場合でも、防汚性は劣るが、被検知表面上の気体の流速・流向の決定は可能であり、本発明の範囲に属することは理解されるべきである。
【００２３】
通気孔が４つ以上設けられる場合にも、上記と同様の態様にて、それぞれに対して、気体流路、切換弁及び圧力センサが設けられ、切換弁の切換及び開閉の制御と圧力値の検出が実行され、移流時間が計測され、移流時間と通気孔の位置関係を用いて、被検知表面上の気流の流速と流向とが決定されてよく、その場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。
【００２４】
装置の作動
（ｉ）検出原理
図２（Ａ）を参照して、被検知表面上の通気孔の一つ（例えば、Ｈ１）より気体が噴出されると、気体の噴流の周りにドーナツ状の渦流が発生し、その渦流は、図示の如く、通気孔から放射方向へ伝播して散逸するところ、既に述べた如く、渦流の到来は、別の通気孔（例えば、Ｈ２、Ｈ３）にて圧力変動として捉えることが可能である（このことは実験的に確かめられている。）。この場合、被検知表面上に気流がなく、無風状態のときには、渦流は、通気孔から全方位に略均等に放射方向へ進行する。一方、図２（Ｂ）に描かれている如く、被検知表面上にて或る方向に或る流速にて気流（表面流）がある場合には、通気孔で発生した渦流は、表面流に重畳して進むため、表面流の方向に沿って速く進み、表面流とは逆方向にはゆっくりと進むこととなり、渦流の移流時間は、表面流の流速と流向の関数となる。ここで、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の位置関係は、既知であるので、渦流の移流時間Δｔ１〜Δｔ６を計測することにより、表面流の流速と流向とが決定できることとなる。
【００２５】
具体的には、まず、図３（Ａ）を参照して、例えば、表面流の流速Ｖｗｉｎｄと流向φと渦流の放射方向の伝播速度Ｖｒとを用いて、通気孔Ｈ１にて渦流を発生させたときの通気孔Ｈ２、Ｈ３までの渦流の移流時間Δｔ１、Δｔ２は、
Δｔ１＝Ｌ／（Ｖｒ＋Ｖｗｉｎｄ・ｅ１）      …（１ａ）
Δｔ２＝Ｌ／（Ｖｒ＋Ｖｗｉｎｄ・ｅ２）      …（１ｂ）
により与えられる。ここで、簡単のため、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、一辺の長さがＬの正三角形の頂点に配置されているものとした。ｅ１、ｅ２は、それぞれ、通気孔Ｈ１から通気孔Ｈ２への方向の単位ベクトル、通気孔Ｈ１から通気孔Ｈ３への方向の単位ベクトルである。これと同様に、図３（Ｂ）、（Ｃ）の如く、通気孔Ｈ２にて渦流を発生させたときの通気孔Ｈ３、Ｈ１までの渦流の移流時間Δｔ３、Δｔ４、通気孔Ｈ３にて渦流を発生させたときの通気孔Ｈ１、Ｈ２までの渦流の移流時間Δｔ５、Δｔ６は、
Δｔ３＝Ｌ／（Ｖｒ＋Ｖｗｉｎｄ・ｅ３）      …（２ａ）
Δｔ４＝Ｌ／（Ｖｒ−Ｖｗｉｎｄ・ｅ１）      …（２ｂ）
Δｔ５＝Ｌ／（Ｖｒ−Ｖｗｉｎｄ・ｅ２）      …（３ａ）
Δｔ６＝Ｌ／（Ｖｒ−Ｖｗｉｎｄ・ｅ３）      …（３ｂ）
により与えられる。ここで、ｅ３は、通気孔Ｈ２から通気孔Ｈ３への方向の単位ベクトルである。従って、式（１ａ）〜（３ｂ）の関係から、渦流の伝播速度Ｖｒは、
Ｖｒ＝Ｌ/６・(1/Δt1+1/Δt2+1/Δt3+1/Δt4+1/Δt5+1/Δt6）      …（４）
により与えられる。或いは、近似的に（Ｖｒ２>>Ｖｗｉｎｄ２が成立するとき）、
Δｔｒ＝(Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5+Δt6）/6      …（５）
と計算して、渦流の伝播速度Ｖｒは、
Ｖｒ＝Ｌ/Δｔｒ      …（６）
により与えられてもよい。
【００２６】
かくして、式（１ａ）、（１ｂ）を変形すると、
Ｖｗｉｎｄ・ｅ１＝Ｌ／Δｔ１−Ｖｒ      …（７ａ）
Ｖｗｉｎｄ・ｅ２＝Ｌ／Δｔ２−Ｖｒ      …（７ｂ）
となるところ、ｅ１、ｅ２、Ｌは、既知であり、Ｖｒは、式（４）又は（６）にて得られるので、表面流の流速Ｖｗｉｎｄと流向φが決定できることとなる。
【００２７】
表面流の流速Ｖｗｉｎｄと流向φの算出例として、具体的には、例えば、図３（Ａ）の如く、ＸＹ座標を設定すると、単位ベクトルｅ１、ｅ２は、
ｅ１＝（ｃｏｓθ１，ｓｉｎθ１）
ｅ２＝（ｃｏｓθ２，ｓｉｎθ２）
により表される。ここで、
α＝Ｖｗｉｎｄ・ｅ１＝Ｌ／Δｔ１−Ｖｒ      …（８ａ）
β＝Ｖｗｉｎｄ・ｅ２＝Ｌ／Δｔ２−Ｖｒ      …（８ｂ）
と置くと、式（７ａ）、（７ｂ）は、表面流の流速ＶｗｉｎｄのＸ成分ＶｘとＹ成分Ｖｙとを用いて
Ｖｘ・ｃｏｓθ１＋Ｖｙ・ｓｉｎθ１＝α      …（９ａ）
Ｖｘ・ｃｏｓθ２＋Ｖｙ・ｓｉｎθ２＝β      …（９ｂ）
と表されるので、Ｖｘ、Ｖｙは、
Ｖｘ＝（α・sinθ2-β・sinθ1）/（sinθ2・cosθ1-sinθ1・cosθ2）…（１０ａ）
Ｖｙ＝（β・cosθ1-α・cosθ2）/（sinθ2・cosθ1-sinθ1・cosθ2）…（１０ｂ）
と算出される。かくして、表面流の流速Ｖｗｉｎｄの大きさと流向φは、式（１０ａ）、（１０ｂ）の結果から、
｜Ｖｗｉｎｄ｜＝（Ｖｘ２＋Ｖｙ２）１／２      …（１１ａ）
φ＝ａｔａｎ（Ｖｙ／Ｖｘ）      …（１１ｂ）
により与えられる。
【００２８】
なお、式（５）のΔｔｒは、
Δｔｒ＝(Δt1+Δt4）/２      …（１２）
により与えられてもよく、或いは、式（４）に代えて、渦流の伝播速度Ｖｒは、
Ｖｒ＝Ｌ/２・(1/Δt1+1/Δt4）      …（１３）
により算出されてもよい（ただし、精度が低下する。）。
【００２９】
（ii）表面流の流速と流向の検出
本実施形態の表面流速流向検出装置により、被検知表面上の表面流の流速と流向を検出する処理に於いては、まず、上記の如く、通気孔のうちの一つから気体を噴出させ、残りの二つの通気孔にて圧力値を時系列に検出する処理が、気体を噴出させる通気孔を、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のそれぞれに設定して実行され、それぞれの場合について、二組の圧力値の時系列データが取得される（データ収集部）。気体を噴出させる通気孔の順番は、任意であってよい（時計回りでも反時計回りでもよい。）。しかる後に、それぞれの圧力値の時系列データに於いて、渦流通過時の圧力波形の検出が実行され、渦流通過時刻が記録され（渦流波形検出部）、通気孔Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のそれぞれに気体を噴出させた場合に対して、渦流発生時刻（気体噴出時刻）と渦流通過時刻との差分が渦流の移流時間Δｔ１〜Δｔ６として計測される（移流時間計測部）。そして、流速・流向決定部に於いて、式（４）又は式（６）を用いて、渦流の伝播速度Ｖｒを算出し、式（７ａ）、（７ｂ）の関係を用いて、具体的には、例えば、式（１０ａ）、（１０ｂ）により、表面流の流速Ｖｗｉｎｄの２方向の成分が算出され、流速Ｖｗｉｎｄの大きさと流向とが、式（１１ａ）、（１１ｂ）を用いて算出される。
【００３０】
なお、渦流の伝播速度Ｖｒを式（１２）又は（１３）を用いて算出する場合には、通気孔のうちの一つから気体を噴出させ、残りの二つの通気孔にて圧力値を時系列に検出する処理が、図３（Ａ）と図３（Ｂ）の態様にて、即ち、二つの通気孔にて順々に気体を噴出させて実行させるだけでよく、その場合も本発明の範囲に属することは理解されるべきである。また、通気孔が４つ以上設けられる場合、通気孔のうちの一つから気体を噴出させ、残りの通気孔にて圧力値を時系列に検出する処理に於いて、圧力値を検出する通気孔は、二つ以上であってよく、それぞれに対して、移流時間が計測され、上記と略同様の態様にて、移流時間と通気孔の位置関係を用いて、被検知表面上の気流の流速と流向とが決定できることは理解されるべきであり、その場合も本発明の範囲に属する。
【００３１】
被検知表面上の気流が激しいために、一つの通気孔にて発生させた渦流による圧力変動が別の通気孔にて良好に検出できない場合には、一つの通気孔から噴出させる気体の流量又は流速を増大し、渦流による圧力変動が増大されるようになっていてよい。例えば、一つの通気孔にて渦流を発生させた後に、残りの通気孔にて予想される渦流の到達時間の範囲内に渦流による圧力変動が検出できない場合には、渦流による圧力変動の振幅を増大すべく、一つの通気孔から噴出させる気体の流量又は流速が増大されるようフィードバック制御が実行されてよい。
【００３２】
かくして、上記の本発明による表面流速流向検出装置によれば、被検知表面上にて渦流を発生させ、その渦流の移流時間を計測することによって、被検知表面上の二次元の方向に於いて、気流の流速と向きとが検出できることとなる。かかる構成に於いては、粉や熱を使用しておらず、気体噴出により生ずる渦流を気流の流速及び向きを検出するために追跡する対象としているので、耐候性が高く、熱放出を伴わず、屋外にて走行する移動体上などの温度や熱容量が変化する環境に於いても、気流の流速及び向きの検出が可能である。また、被検知表面上には、通気孔が少なくとも３つ形成されるだけでよいので、表面形状・意匠に対する影響は殆どないことが期待される。
【００３３】
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。
【図１】
2019158603.tif 000003
【図２】
2019158603.tif 000004
【図３】
2019158603.tif 000005