(57)【要約】【課題】風速の測定精度を向上させる。【解決手段】プロペラの回転を光回転検出器で非接触検出することにより風速を測定する風速計において、光回転検出器は、プロペラに連結されると共に周面に所定間隔で溝部が形成された円体と、対物レンズを介することにより検出光を周面あるいは溝部の何れか一方に集光させた状態で照射すると共に、円体から得られる反射光を対物レンズを介して受光する光照射受光手段と、該光照射受光手段の受光出力を風速を示す風速信号として外部に出力する出力手段とを具備する。【選択図】      図３
2005009973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロペラの回転を光回転検出器で非接触検出することにより風速を測定する風速計であって、
前記光回転検出器は、
プロペラに連結されると共に周面に所定間隔で溝部が形成された円体と、
対物レンズを介することにより検出光を前記周面あるいは溝部の何れか一方に集光させた状態で照射すると共に、円体から得られる反射光を前記対物レンズを介して受光する光照射受光手段と、
該光照射受光手段の受光出力を風速を示す風速信号として外部に出力する出力手段と
を具備することを特徴とする風速計。
【請求項２】
円体と光照射受光手段との間に外光を遮蔽する外光遮蔽手段を備えることを特徴とする請求項１記載の風速計。
【請求項３】
光照射受光手段は、
平面を有する基材と、
対物レンズと、
前記基材上に配置されたＬＥＤと、
該ＬＥＤに隣接して基材上に配置されたフォトダイオードと、
前記基材に固定され、ＬＥＤ及びフォトダイオードの前方に対物レンズを固定配置するレンズホルダと
からなる単一部品であることを特徴とする請求項１または２記載の風速計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光回転検出器を用いた風速計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風向風速計の中には、光を用いた回転検出器（光回転検出器）を用いてプロベラの回転を非接触検出することによって風速を測定するタイプのものがある。この光回転検出器は、光ファイバからプロベラに連結したスリット板に向けて光を出射し、その反射光を受光することにより反射光の強弱に基づくパルス信号を生成するものである。このような光回転検出器を用いた風向風速計は、上記パルス信号を計数することによって風速を計測する。このような光回転検出器については、例えば実公昭６３−１０５２７号公報、実公昭６３−１１６５７号公報あるいは特開平８−１６００６３号公報等に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
実公昭６３−１０５２７号公報
【特許文献２】
実公昭６３−１１６５７号公報
【特許文献３】
特開平８−１６００６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術には、スポット径が比較的大きな光ファイバの出射光をスリット板に照射して反射光を得るので、スリット板のスリット数が制限されて高精度の回転検出ができない。すなわち、光のスポット径が大きい場合には、広い間隔でスリットが形成されたスリット板を用いる必要があるので、必然的にスリット数が少なくなり、スリット板が１回転することによって得られる反射光のパルス数が少なくなる。このパルス数が少ないということは、要するに回転の検出精度が低いということであり、したがって風速の測定精度が低くなる。
【０００５】
また、従来の光回転検出器は、光学系がＬＥＤ等の発光素子、光ファイバ及びフォトダイオード等の受光素子等々、複数の個別部品で構成されているために、製造時において組み立て工数が掛かると共にコスト高であるという問題点もある。
【０００６】
本発明は、風速の測定精度を向上させると共に製造コストを低減することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、プロペラの回転を光回転検出器で非接触検出することにより風速を測定する風速計において、光回転検出器は、プロペラに連結されると共に周面に所定間隔で溝部が形成された円体と、対物レンズを介することにより検出光を周面あるいは溝部の何れか一方に集光させた状態で照射すると共に、円体から得られる反射光を対物レンズを介して受光する光照射受光手段と、該光照射受光手段の受光出力を風速を示す風速信号として外部に出力する出力手段とを具備するという手段を採用する。
【０００８】
すなわち、このような手段によれば、検出光を円体の周面あるいは溝部の何れか一方に集光させた状態で照射するので、検出光が集光する部位から得られる反射光は強度が強く、検出光が集光しない部位から得られる反射光は強度が弱くなる。例えば検出光を周面に集光させた場合には、当該周面からの反射光の強度が強くなり、これに比べて溝部からの反射光の強度は弱くなる。これに対して、検出光を溝部に集光させた場合には、当該溝部からの反射光の強度が強くなり、これに比べて周面からの反射光の強度は弱くなる。検出光は円体の回転に伴って周面と溝部とに交互に照射されるので、反射光の強度は強弱を繰り返すものとなる。
【０００９】
また、検出光は周面あるいは溝部に集光・照射されるので、周面あるいは溝部における光スポットは極めて小さなものとなる。この光スポットのスポット径は、対物レンズの性能や検出光の性質に依存するが、少なくとも従来のように光ファイバの端面から出射された光よりも大幅に小さな径となる。
【００１０】
また、本発明では、上記手段において、円体と光照射受光手段との間に外光を遮蔽する外光遮蔽手段を配置するという手段を採用する。このような手段を採用することにより、外光が外乱として作用することを防止することが可能である。
【００１１】
さらに、本発明では、上記各手段において、光照射受光手段を、平面を有する基材と、対物レンズと、基材上に配置されたＬＥＤと、該ＬＥＤに隣接して基材上に配置されたフォトダイオードと、基材に固定され、ＬＥＤ及びフォトダイオードの前方に対物レンズを固定配置するレンズホルダとからなる単一部品として形成するという手段を採用する。このように光学系を構成する各種部品を単一部品として構成することにより製造における組み立てが容易になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、風速計測機能に加えて風向計測機能をも有する風向風速計に本発明を適用した場合に関するものである。
【００１３】
図１は本風向風速計の外観及び一部断面を示す正面図、また図２はである。この図に示すように、本風向風速計は、略中空円筒状の胴体１の先端部にプロペラシャフト２を介してプロペラ３が回転自在に取り付けられると共に、胴体１の後端部には翼４が一体に設けられ、さらに胴体１の中心部が風向シャフト５を介することにより上記プロペラシャフトと２と直行する方向に回転自在に中空状の固定スタンド６に取り付けられたものである。
【００１４】
胴体１内において、プロペラシャフト２の後端部には円盤状のエンコーダ７（円体）が取り付けられている。このエンコーダ７は、図示するように一定厚の円板であり、その周面７ａには一定間隔で溝部７ｂが形成されている（図２参照）。すなわち、エンコーダ７の周面７ａは、溝部７ｂが一定間隔となるように形成されているために、周面７ａによって形成される凸部と溝部７ｂによって形成される凹部とが規則正しく配列した凹凸状になっている。
【００１５】
一方、風向シャフト５は２重筒状態になっており、その内部には下端が胴体１に固定された固定シャフト８が設けられている。そして、この固定シャフト８の上端には、上記エンコーダ７の周面７ａに対向する状態でセンサ部９が固定されている。センサ部９は、図２に示されているように、略円筒形状の光センサ１０（光照射受光手段）と、この光センサ１０を上記エンコーダ７に対して一定距離Ｄを隔てた状態に固定する３つのホルダ部材１１〜１３とから構成されている。この光センサ１０と上記エンコーダ７とは、本実施形態における光回転検出器を構成している。
【００１６】
これら各ホルダ部材１１〜１３のうち、ホルダ部材１１は両端面が開口した略中空円筒状の樹脂部材であり、同じく略中空円筒状のホルダ部材１２内に嵌め合い固定されている。光センサ１０は、その周面がホルダ部材１１の内周面がに圧接するように当該ホルダ部材１１に圧入されることによって、ホルダ部材１２内に位置規制された状態で固定されている。ホルダ部材１２は、金属部材であり、上端には窓部１４（外光遮蔽手段）が形成されている。
【００１７】
この窓部１４は、光センサ１０から出射された検出光及びその反射光を通過させると共に、外光を遮蔽するためのものであり、図示するように断面形状が台形に形成されている。光センサ１０は、この窓部１４を間に挟んだ状態で上記エンコーダ７の周面７ａ及び溝部７ｂと対向している。このような窓部１４を有するホルダ部材１２は、略中空円筒状に形成されたホルダ部材１３の上部開口側からホルダ部材１３内に挿入されてネジ止め固定されている。
【００１８】
なお、ホルダ部材１２のホルダ部材１３内への挿入量は、光センサ１０とエンコーダ７の周面７ａとが一定距離Ｄとなるように調節されている。このようにホルダ部材１１，１２を介して光センサ１０が内部に固定されたホルダ部材１３は、下端が上記固定シャフト８の上端に固定されている。
【００１９】
また、固定スタンド６内には、風向検出部１５及び回路基板１６等が設けられている。風向検出部１５は、風向シャフト５の回転状態に基づいて風向を検出するものである。一方、回路基板１６は、当該風向検出部１５の検出信号を風向を示す測定信号として外部に出力すると共に上記光センサ１０の検出信号を風速を示す測定信号として外部に出力するための電気的処理を行うものである。
【００２０】
次に、上記光センサ１０の詳細構成について図３を参照して説明する。
この光センサ１０は、円形平板形状の基材１０ａの表面上にＬＥＤ１０ｂ及びフォトトランジスタ１０ｃを隣接配置すると共に、これらＬＥＤ１０ｂ及びフォトトランジスタ１０ｃの前方に対物レンズ１０ｄを固定配置したものである。
【００２１】
対物レンズ１０ｄは、図示するように、ＬＥＤ１０ｂから出射された検出光の焦点がエンコーダ７の周面７ａに結ぶように検出光を集光させると共に、当該検出光が周面７ａあるいは溝部７ｂによって反射されて戻ってくる反射光をフォトトランジスタ１０ｃの受光面に集光させる。すなわち、この対物レンズ１０ｄは、焦点距離がエンコーダ７の周面７ａの位置となるように光学設計されている。このような対物レンズ１０ｄは、上記ＬＥＤ１０ｂ及びフォトトランジスタ１０ｃと共にケース１０ｆ内に収納されている。
【００２２】
ケース１０ｆは、一端に上記基材１０ａが、また他端には円形ガラス板１０ｅが各々嵌め合わされた略中空円筒状に形成されており、対物レンズ１０ｄをＬＥＤ１０ｂ及びフォトトランジスタ１０ｃの前方に固定するためのレンズホルダでもある。また、上記基材１０ａの裏面には、ＬＥＤ１０ｂ及びフォトトランジスタ１０ｃＬＥＤ１０ｂを外部と電気的に接続するための端子１０ｇが設けられている。このように光センサ１０は、単一の光学部品として形成されている。
【００２３】
次に、このように構成された風向風速計の動作について詳しく説明する。
このような風向風速計では、翼４が風を受けると、胴体１（すなわち風向シャフト５）が回転して風向きに応じた向きに姿勢設定される。そして、このような風向シャフト５の回転は、風向検出部１５によって検出されて検出信号に変換され、さらに回路基板１６によって風向を示す測定信号に変換されて外部に出力される。
【００２４】
また、このような風向計測と並行して、プロペラ３が風を受けることによってエンコーダ７が回転する。そして、このエンコーダ７の回転は光センサ１０によって検出信号に変換され、さらに回路基板１６によって風速を示す測定信号に変換されて外部に出力される。
【００２５】
光センサ１０は、エンコーダ７との間の距離Ｄが対物レンズ１０ｄの焦点距離に対応して正確に位置規制されているので、ＬＥＤ１０ｂから出射された検出光は、風によって回転するエンコーダ７の周面７ａに正確に焦点を結ぶ状態で周面７ａあるいは溝部７ｂに対して常時照射される。この結果、検出光が周面７ａあるいは溝部７ｂに照射されて得られる反射光のうち、集光面である周面７ａの反射光は強度が強く、非集光面である溝部７ｂの反射光は、周面７ａの反射光よりも弱い強度となる。
【００２６】
このような周面７ａの反射光と溝部７ｂの反射光とは、エンコーダ７が回転することによって交互に発生する。そして、この反射光の強弱の繰り返し周波数は、エンコーダ７（プロペラ３）の回転速度つまり風速に対応したものとなる。フォトトランジスタ１０ｃは、このような反射光を受光するもので、その検出信号は、上記反射光の強弱に対応して電圧レベルが変化する信号となり、当該電圧レベルの繰り返し周波数は、風速に対応したものとなる。回路基板１５は、このような検出信号を例えばパルス信号に変換し測定信号として外部に出力する。
【００２７】
ここで、本風向風速計では、ＬＥＤ１０ｂから出射された検出光は、上述したように周面７ａに焦点を結ぶようにエンコーダ７に照射されるので、その光スポットの径（スポット径）は少なくとも従来技術のように光ファイバの端面から出射された光のスポット径よりも大幅に小さくなる。エンコーダ７における溝部７ｂ（つまり周面７ａ）の間隔は、この小さなスポット径に対応して短間隔に設定されている。
【００２８】
すなわち、本風向風速計によれば、エンコーダ７が１回転したときに得られる上記パルス信号の個数は従来よりも多くなり、したがってエンコーダ７の回転速度つまり風速を高精度に測定することができる。従来技術では、光ファイバから出射される検出光のスポット径が比較的大きかったことによって風速測定精度が拘束されていたが、本風向風速計では、実質的に検出光のスポット径が風速測定精度を制約されることがない。
【００２９】
また、本風向風速計によれば、外光を遮蔽してセンサ１０から出射された検出光及びエンコーダ７からの反射光のみを通過させる窓部１４を備えているので、外光が反射光に混入してフォトトランジスタ１０ｃで受光されることを防止することが可能であり、したがって外光による風速測定精度の低下を防止することができる。
【００３０】
さらに、本風向風速計の光センサ１０は、ＬＥＤ１０ｂ、フォトトランジスタ１０ｃ及び対物レンズ１０ｄ等の光学部品が基材１０ａ及びケース１０ｆを介して一体部品として形成されているので、光学上の調整が簡単である。すなわち、光学上の調整ポイントは、エンコーダ７の周面７ａと光センサ１０との距離Ｄのみであり、この距離Ｄは、上述したセンサ部９の構成によって容易に調整される。したがって、本風向風速計は、製造における光学系の調整が容易なので、組み立てが容易であると共に製造コストを低減させることができる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、エンコーダ７の周面７ａを検出光の集光面に設定したが、本発明はこれに限定されるものではない。周面７ａに代えて溝部７ｂを集光面に設定しても良い。
また、上記実施形態は本発明を風向風速計に適用した場合に関するものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。、
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プロペラの回転を光回転検出器で非接触検出することにより風速を測定する風速計において、光回転検出器は、プロペラに連結されると共に周面に所定間隔で溝部が形成された円体と、対物レンズを介することにより検出光を周面あるいは溝部の何れか一方に集光させた状態で照射すると共に、円体から得られる反射光を対物レンズを介して受光する光照射受光手段と、該光照射受光手段の受光出力を風速を示す風速信号として外部に出力する出力手段とを具備するので、風速の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる風向風速計の外観及び一部断面を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わる風向風速計の要部拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係わる風向風速計における光センサの縦断面図である。
【符号の説明】
１……  胴体
２……  プロペラシャフト
３……  プロペラ
４……  翼
５……  風向シャフト
６……  固定スタンド
７……  エンコーダ（円体）
７ａ……周面
７ｂ……溝部
８……  固定シャフト
９……  センサ部
１０……光センサ（光照射受光手段）
１０ａ……基材
１０ｂ……ＬＥＤ
１０ｃ……フォトトランジスタ
１０ｄ……対物レンズ
１０ｅ……ガラス板
１０ｆ……ケース
１１〜１３……ホルダ部材
１４……窓部（外光遮蔽手段）
１５……風向検出部
１６……回路基板
【図１】
2005009973.tif 000003
【図２】
2005009973.tif 000004
【図３】
2005009973.tif 000005