特開 2023-140049 光ファイバを用いた風向計測方法及び風向計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023140049

(43)【公開日】2023-10-04

(54)【発明の名称】光ファイバを用いた風向計測方法及び風向計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20230927BHJP

【ＦＩ】

G01H9/00 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022045890

(22)【出願日】2022-03-22

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100197561

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 三喜男

(72)【発明者】

【氏名】種平 貴文

(72)【発明者】

【氏名】小池 祐輔

(72)【発明者】

【氏名】山賀 勇真

(72)【発明者】

【氏名】三国 祐亮

【テーマコード（参考）】

2G064

【Ｆターム（参考）】

2G064AA01

2G064AA11

2G064AB01

2G064AB02

2G064BA02

2G064BD02

2G064CC42

2G064CC43

2G064DD02

(57)【要約】

【課題】光ファイバを用いて風向を精度良く計測する。
【解決手段】センサ部１１を有する光ファイバ１０と、センサ部１１に入射光を出力する光源２と、センサ部１１からの反射光を検出する光検出部３とを用いて風向を計測する光ファイバを用いた風向計測では、センサ部１１の軸方向中央部に配置された中央規制部２１によってセンサ部１１の軸方向中央部が初期位置から一方側へ移動することを規制し、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部１１が振動するときに、入射光に対するセンサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の振動数を算出し、算出されたセンサ部１１の振動数から、センサ部の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向に延びるセンサ部を有する光ファイバと、前記センサ部に入射光を出力する光源と、前記センサ部からの反射光を検出する光検出部とを用いて風向を計測する光ファイバを用いた風向計測方法であって、
計測環境下に両端部が支持された状態で前記センサ部を配置し、
前記センサ部の軸方向中央部における前記センサ部の軸方向に直交する直交方向一方側に配置されて前記センサ部の軸方向に直交する方向に延在する中央規制部によって前記センサ部の軸方向中央部が初期位置から前記直交方向一方側へ移動することを規制し、
前記中央規制部によって前記センサ部の軸方向中央部が初期位置から前記直交方向一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によって前記センサ部が振動するときに、前記光源によって出力された入射光に対して前記センサ部によって反射されて前記光検出部によって検出される前記センサ部からの反射光に基づいて、前記センサ部の振動数を算出し、
算出された前記センサ部の振動数から、前記センサ部の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する、
光ファイバを用いた風向計測方法。

【請求項2】

前記センサ部は、風向の計測方向に直交する方向に配置される、
請求項１に記載の光ファイバを用いた風向計測方法。

【請求項3】

前記センサ部からの反射光に基づいて、前記センサ部の軸方向中央部を規制する前記中央規制部の法線方向と、前記法線方向及び前記センサ部の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測する、
請求項２に記載の光ファイバを用いた風向計測方法。

【請求項4】

前記光ファイバは、平行に配置される２つのセンサ部を有し、
前記２つのセンサ部は、前記中央規制部によってそれぞれ反対側から規制される、
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の光ファイバを用いた風向計測方法。

【請求項5】

光ファイバを用いた風向計測装置であって、
軸方向に延びるセンサ部を有する光ファイバと、
前記センサ部に入射光を出力する光源と、
前記センサ部からの反射光を検出する光検出部と、
前記センサ部の軸方向中央部における前記センサ部の軸方向に直交する直交方向一方側に前記センサ部の軸方向に直交する方向に延在して配置され、前記センサ部の軸方向中央部が初期位置から前記直交方向一方側へ移動することを規制する中央規制部と、
前記光源によって出力された入射光に対して前記センサ部によって反射されて前記光検出部によって検出される前記センサ部からの反射光に基づいて風向を計測する風向計測手段と、を備え、
前記センサ部は、計測環境下に両端部が支持された状態で配置され、
前記風向計測手段は、前記中央規制部によって前記センサ部の軸方向中央部が初期位置から前記直交方向一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によって前記センサ部が振動するときに、前記光源によって出力された入射光に対して前記センサ部によって反射されて前記光検出部によって検出される前記センサ部からの反射光に基づいて、前記センサ部の振動数を算出し、算出された前記センサ部の振動数から、前記センサ部の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する、
光ファイバを用いた風向計測装置。

【請求項6】

前記センサ部は、風向の計測方向に直交する方向に配置される、
請求項５に記載の光ファイバを用いた風向計測装置。

【請求項7】

前記風向計測手段は、前記センサ部からの反射光に基づいて、前記センサ部の軸方向中央部を規制する前記中央規制部の法線方向と、前記法線方向及び前記センサ部の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測する、
請求項６に記載の光ファイバを用いた風向計測装置。

【請求項8】

前記光ファイバは、平行に配置される２つのセンサ部を有し、
前記２つのセンサ部は、前記中央規制部によってそれぞれ反対側から規制される、
請求項５から請求項７の何れか１項に記載の光ファイバを用いた風向計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバを用いた風向計測方法及び風向計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

車体前部にエンジンと駆動モータとを備えた電動車両などの車両では、エンジンルーム内に配置されるエンジン及び駆動モータが発熱することから、エンジンルーム内の温度管理を行うためなど、エンジンルーム内に流れる風の状態を計測することが行われている。

【0003】

風の状態を計測するものとして、光ファイバを用いて風の状態を計測するものが知られている。例えば特許文献１には、センサ部を有する光ファイバを用い、風を受ける受風部を備えたレバーをセンサ部に連結して風によって受風部に作用する力をレバーによってセンサ部に増幅させて作用させ、センサ部の変化から風の状態を計測するものが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４８３１６９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前記特許文献１に記載のものは、風を受ける受風部を備えたレバーを介して光ファイバのセンサ部を変化させて風の状態を計測することから、光ファイバを用いて風向を計測する場合、受風部を備えたレバーによって風の状態が変化して風向を正確に検出することができないおそれがある。スペースが限られたエンジンルーム内の風の状態を検出する場合、受風部を備えたレバーによる風の状態変化が大きく風向を精度良く計測することができないおそれがある。前記特許文献１に記載のものはまた、一次元方向のみの風向を計測するものであり、風向を精度良く計測することができないおそれがある。

【0006】

本発明は、光ファイバを用いて風向を計測する際に、風向を精度良く計測することができるようにすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、軸方向に延びるセンサ部を有する光ファイバと、前記センサ部に入射光を出力する光源と、前記センサ部からの反射光を検出する光検出部とを用いて風向を計測する光ファイバを用いた風向計測方法であって、計測環境下に両端部が支持された状態で前記センサ部を配置し、前記センサ部の軸方向中央部における前記センサ部の軸方向に直交する直交方向一方側に配置されて前記センサ部の軸方向に直交する方向に延在する中央規制部によって前記センサ部の軸方向中央部が初期位置から前記直交方向一方側へ移動することを規制し、前記中央規制部によって前記センサ部の軸方向中央部が初期位置から前記直交方向一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によって前記センサ部が振動するときに、前記光源によって出力された入射光に対して前記センサ部によって反射されて前記光検出部によって検出される前記センサ部からの反射光に基づいて、前記センサ部の振動数を算出し、算出された前記センサ部の振動数から、前記センサ部の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する、光ファイバを用いた風向計測方法を提供する。

【0008】

本発明によれば、光ファイバを用いて風向を計測する際に、中央規制部によってセンサ部の軸方向中央部が初期位置から一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部が振動するときに、センサ部の振動数から、センサ部の振動数と風向との関係を示す特性データを用いて風向が計測される。

【0009】

これにより、センサ部の軸方向中央部の移動が規制された光ファイバのセンサ部の変化から風向を直接的に計測することができるので、風向を精度良く検出することができる。風を受ける受風部を備えたレバーを用いる必要がなく、受風部を備えたレバーを用いる場合のように風の状態が変化することを抑制することができ、エンジンルーム内などの限られたスペースにおいても風向を精度良く検出することができる。

【0010】

前記センサ部は、風向の計測方向に直交する方向に配置されることが好ましい。

【0011】

本構成により、風向の計測方向に直交する方向にセンサ部が配置されるので、風向の計測方向に直交する方向にセンサ部が配置されない場合に比して、風向を精度良く検出することができる。

【0012】

前記センサ部からの反射光に基づいて、前記センサ部の軸方向中央部を規制する前記中央規制部の法線方向と、前記法線方向及び前記センサ部の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測し得る。

【0013】

本構成により、センサ部からの反射光に基づいて、センサ部の軸方向中央部を規制する中央規制部の法線方向と、前記法線方向及びセンサ部の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向が計測されるので、９０度の角度範囲の風向を計測することができ、風向を精度良く検出することができる。

【0014】

前記光ファイバは、平行に配置される２つの前記センサ部を有し、前記２つのセンサ部は、前記中央規制部によってそれぞれ反対側から規制されることが好ましい。

【0015】

本構成により、平行に配置される２つのセンサ部が備えられ、２つのセンサ部は、中央規制部によって反対側から規制されるので、２つのセンサ部の軸方向に直交する直交方向一方側及び他方側からの風向を直接的に計測することができ、広範囲に亘って風向を計測することができる。

【0016】

本発明はまた、光ファイバを用いた風向計測装置であって、軸方向に延びるセンサ部を有する光ファイバと、前記センサ部に入射光を出力する光源と、前記センサ部からの反射光を検出する光検出部と、前記センサ部の軸方向中央部における前記センサ部の軸方向に直交する直交方向一方側に前記センサ部の軸方向に直交する方向に延在して配置され、前記センサ部の軸方向中央部が初期位置から前記直交方向一方側へ移動することを規制する中央規制部と、前記光源によって出力された入射光に対して前記センサ部によって反射されて前記光検出部によって検出される前記センサ部からの反射光に基づいて風向を計測する風向計測手段と、を備え、前記センサ部は、計測環境下に両端部が支持された状態で配置され、前記風向計測手段は、前記中央規制部によって前記センサ部の軸方向中央部が初期位置から前記直交方向一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によって前記センサ部が振動するときに、前記光源によって出力された入射光に対して前記センサ部によって反射されて前記光検出部によって検出される前記センサ部からの反射光に基づいて、前記センサ部の振動数を算出し、算出された前記センサ部の振動数から、前記センサ部の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する、光ファイバを用いた風向計測装置を提供する。

【0017】

本発明によれば、光ファイバを用いて風向を計測する際に、中央規制部によってセンサ部の軸方向中央部が初期位置から一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部が振動するときに、センサ部の振動数から、センサ部の振動数と風向との関係を示す特性データを用いて風向が計測される。

【0018】

これにより、センサ部の軸方向中央部の移動が規制された光ファイバのセンサ部の変化から風向を直接的に計測することができるので、風向を精度良く検出することができる。風を受ける受風部を備えたレバーを用いる必要がなく、受風部を備えたレバーを用いる場合のように風の状態が変化することを抑制することができ、エンジンルーム内などの限られたスペースにおいても風向を精度良く検出することができる。

【0019】

前記センサ部は、風向の計測方向に直交する方向に配置されることが好ましい。

【0020】

本構成により、風向の計測方向に直交する方向にセンサ部が配置されるので、風向の計測方向に直交する方向にセンサ部が配置されない場合に比して、風向を精度良く検出することができる。

【0021】

前記風向計測手段は、前記センサ部からの反射光に基づいて、前記センサ部の軸方向中央部を規制する前記中央規制部の法線方向と、前記法線方向及び前記センサ部の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測し得る。

【0022】

本構成により、センサ部からの反射光に基づいて、センサ部の軸方向中央部を規制する中央規制部の法線方向と、前記法線方向及びセンサ部の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向が計測されるので、９０度の角度範囲の風向を計測することができ、風向を精度良く検出することができる。

【0023】

前記光ファイバは、平行に配置される２つの前記センサ部を有し、前記２つのセンサ部は、前記中央規制部によってそれぞれ反対側から規制されることが好ましい。

【0024】

本構成により、平行に配置される２つのセンサ部が備えられ、２つのセンサ部は、中央規制部によって反対側から規制されるので、２つのセンサ部の軸方向に直交する直交方向一方側及び他方側からの風向を直接的に計測することができ、広範囲に亘って風向を計測することができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、光ファイバを用いて風向を計測する際に、風向を精度良く計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の第１実施形態に係る風向計測装置の概略構成図である。

【図2】光ファイバのセンサ部の断面図である。

【図3】センサ部の振動を変更する振動変更機構を説明する説明図である。

【図4】カルマン渦による光ファイバの振動を説明する説明図である。

【図5】反射光の光強度の周波数スペクトルを示す図である。

【図6】周波数シフト量とひずみ量との関係を示す特性データである。

【図7】所定風向によるセンサ部の振動を説明する説明図である。

【図8】所定風向によるセンサ部の振動を説明する別の説明図である。

【図9】センサ部のひずみ量の時間変化を示すグラフである。

【図10】センサ部の振動数と強度との関係を示す特性データである。

【図11】センサ部の振動数と強度との関係を示す別の特性データである。

【図12】センサ部の振動数と風向との関係を示す風向特性データである。

【図13】風向計測装置の計測制御を示すフローチャートである。

【図14】計測処理制御を示すフローチャートである。

【図15】本発明の第２実施形態に係る風向計測装置の要部を示す図である。

【図16】所定風向によるセンサ部の振動を説明する説明図である。

【図17】所定風向によるセンサ部の振動を説明する別の説明図である。

【図18】センサ部の振動数と風向との関係を示す風向特性データである。

【図19】風向計測装置の計測制御を示すフローチャートである。

【図20】計測処理制御を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

【0028】

図１は、本発明の実施形態に係る風向計測装置の概略構成図である。図１に示す風向計測装置１は、光ファイバ１０を用いた風向計測装置であり、光ファイバ１０と、光ファイバ１０に入射光を出力する光源２と、入射光に対する光ファイバ１０のセンサ部１１からの反射光を検出する光検出部としての光検出器３と、光ファイバ１０のセンサ部１１の振動を変更する振動変更機構２０と、光源２及び光検出器３に接続された制御ユニット３０とを備えている。風向計測装置１はまた、熱線式風速計などの風速計５を備えている。

【0029】

光源２は、光ファイバ１０のセンサ部１１に入射光として１５１０ｎｍ～１５７０ｎｍの赤外光を順次出力するように構成されている。光検出器３は、入射光に対してセンサ部１１から反射される反射光としてのレイリー散乱光を検出するように構成されている。センサ部１１からの反射光は、反射光を光検出器３に導くミラー４を介して光検出器３に導入されるようになっている。

【0030】

図２は、光ファイバのセンサ部の断面図である。図２に示すように、光ファイバ１０は、軸方向に延びるセンサ部１１を備えている。光ファイバ１０は、高い屈折率を有するコア１３と、コア１３の屈折率よりも低い屈折率を有してコア１３を被覆するクラッド１４と、クラッド１４を被覆する被膜１５とを備えている。光ファイバ１０は、コア１３に導入された光をクラッド１４で全反射させて伝送できるようになっている。光ファイバ１０の他の部分についてもセンサ部１１と同様に形成されている。

【0031】

コア１３は、円柱状に形成され、クラッド１４は、円筒状に形成されてコア１３の外周に配置され、被膜１５は、円筒状に形成されてクラッド１４の外周に配置されている。コア１３とクラッド１４とは、透明な誘電体である石英ガラスから形成され、被膜１５は、樹脂材料から形成されている。光ファイバ１０は、センサ部１１に入射光が入力されるとコア１３のガラス分子に応じて反射光としてのレイリー散乱光を生じ、反射光の光強度を検出することでセンサ部１１のひずみを算出できるようになっている。

【0032】

光ファイバ１０は、風の状態を計測する計測環境下に配置されるセンサ部１１と、センサ部１１の両端部に形成された被支持部１２とを有している。センサ部１１は、風向の計測方向に直交する方向に延びるように配置される。例えば、エンジンルーム内において車体前側から車体後側に流れる風向を計測する場合、センサ部１１は、車体前後方向に直交する方向である車幅方向に延びるように配置される。

【0033】

図３は、センサ部の振動を変更する振動変更機構を説明する説明図である。図３に示すように、センサ部１１の両端部に設けられた被支持部１２は、支持ユニット６に支持されている。支持ユニット６は、図示しない基部に離間して固定して配置された第１支持部７及び第２支持部８を有し、センサ部１１の一方の被支持部１２が第１支持部７に固定して支持され、センサ部１１の他方の被支持部１２が第２支持部８に支持されている。センサ部１１の他方の被支持部１２は光源２及び光検出器３などに接続されている。

【0034】

センサ部１１の振動を変更する振動変更機構２０は、センサ部１１が直線状に延びる初期位置からセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側へセンサ部１１の軸方向中央部１６が移動することを規制する中央規制部２１によって構成されている。

【0035】

中央規制部２１は、断面略四角形状に形成された棒状部材によって形成され、支持ユニット６の前記基部に固定して取り付けられている。中央規制部２１は、センサ部１１の軸方向中央部１６におけるセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側である上側に当接して配置されてセンサ部１１の軸方向に直交する方向に延在している。中央規制部２１は、センサ部１１の両端部からセンサ部１１の長さＤ１の半分の長さ（Ｄ１／２）の位置におけるセンサ部１１の移動を規制する。

【0036】

図４は、カルマン渦による光ファイバの振動を説明する説明図である。図４では、光ファイバ１０を円形断面で示している。光ファイバ１０のセンサ部１１に中央規制部２１が設けられていない場合、図４に示すように、風の流れ方向（白矢印で示す方向）に直交する方向に延びるように配置された光ファイバ１０に風が作用する場合、光ファイバ１０の後方に交互に配列された非対称の渦であるカルマン渦１７が発生する。光ファイバ１０は、カルマン渦１７によって風の流れ方向及び光ファイバ１０の軸方向にそれぞれ直交する方向である上下方向（黒矢印で示す方向）に周期的に振動する。

【0037】

図５は、反射光の光強度の周波数スペクトルを示す図である。図５では、横軸に周波数をとり、縦軸に光ファイバ１０のセンサ部１１によって反射される反射光の光強度をとって表している。光ファイバ１０のセンサ部１１に中央規制部２１が設けられていない場合、図５の実線で示すように、無風環境下に配置されたセンサ部１１に出力された入射光に対してセンサ部１１によって反射される反射光の光強度の時間変化をフーリエ変換した光強度の周波数スペクトル（基本周波数特性データ）は、センサ部１１のガラス分子の状態に応じて複数のピークを有している。

【0038】

一方、センサ部１１が有風環境下に配置されると、センサ部１１に風が作用してセンサ部１１がカルマン渦１７によって振動してセンサ部１１にひずみが発生する。センサ部１１にひずみが発生すると、センサ部１１によって反射される反射光の光強度の周波数スペクトルは、図５の二点鎖線で示すように、複数のピークがそれぞれ周波数方向に移動してずれる。

【0039】

センサ部１１が有風環境下に配置されて振動する場合、反射光の光強度の周波数スペクトルでは、所定周波数ｆ１におけるピークＰ１が、風に応じて所定周波数ｆ１におけるピークＰ１から所定周波数ｆ２におけるピークＰ２との間で変動する。所定周波数ｆ１におけるピークＰ１の周波数のずれ量である周波数シフト量Ｘ１は、センサ部１１のひずみ量に対応する。

【0040】

図６は、周波数シフト量とひずみ量との関係を示す特性データである。図６では、横軸に反射光の光強度の周波数スペクトルにおける所定周波数ｆ１におけるピークの周波数シフト量Ｘ１をとり、縦軸にセンサ部１１のひずみ量をとって表している。センサ部１１は、図６に示す周波数シフト量とひずみ量との関係を示す特性データ（ひずみ特性データ）に従って、周波数シフト量が大きくなると、ひずみ量が略比例して大きくなる。図６では、周波数シフト量とひずみ量とがゼロ以上である場合を示しているが、ゼロより小さい場合についても同様に、周波数シフト量が大きくなると、ひずみ量が略比例して大きくなる。

【0041】

図６に示す周波数シフト量とひずみ量との関係を示す特性データは、無風環境下に配置されたセンサ部１１に所定ひずみ量を生じさせた状態で、入射光に対してセンサ部１１から反射される反射光を検出し、反射光の光強度の時間変化をフーリエ変換した光強度の周波数スペクトルを、無風環境下に配置されてひずみ量がゼロであるときの光強度の周波数スペクトルと比較して周波数シフト量を算出することで、予め取得される。

【0042】

周波数シフト量とひずみ量との関係を示す特性データを用いることで、反射光の光強度の周波数スペクトルにおける所定周波数ｆ１に対するピークＰ１の周波数シフト量Ｘ１から、センサ部１１のひずみ量が算出される。これにより、センサ部１１が有風環境下に配置されて振動する場合に、センサ部１１のひずみ量の時間変化が算出される。

【0043】

本実施形態では、中央規制部２１によって、センサ部１１の軸方向中央部１６が初期位置からセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側へ移動することを規制することで、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部１１が振動するときに、センサ部１１の振動数を算出し、センサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。

【0044】

図７は、所定風向によるセンサ部の振動を説明する説明図である。図７に示すように、センサ部１１に中央規制部２１が設けられる場合、センサ部１１の軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の延在方向一方側である前側（白矢印Ａ１で示す方向）からセンサ部１１に風が作用すると、センサ部１１の軸方向中央部１６は、センサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側である上側への移動が規制されるので、カルマン渦１７によって、初期位置（実線で示す位置）と、センサ部１１の軸方向に直交する直交方向他方側である下側（二点鎖線で示す位置）との間において周期的に振動する。

【0045】

センサ部１１の軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の法線方向である下側（矢印Ａ２で示す方向）からセンサ部１１に風が作用する場合、及びセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の延在方向一方側から中央規制部２１の法線方向に向けて－４５度の前下側から（矢印Ａ３で示す方向）からセンサ部１１に風が作用する場合についてもそれぞれ、センサ部１１の軸方向中央部１６は、センサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側である上側への移動が規制された状態で、カルマン渦１７に応じて振動する。

【0046】

図８は、所定風向によるセンサ部の振動を説明する別の説明図である。図８（ａ）は、図７において白矢印Ａ１で示す方向である風向がゼロ度である場合についてセンサ部１１の振動を示し、図８（ｂ）は、図７において矢印Ａ２で示す方向である風向が－９０度である場合についてセンサ部１１の振動を示している。センサ部１１に作用する風向は、センサ部１１の軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の延在方向一方側である前側をゼロ度とし、センサ部１１の軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の法線方向である下側を－９０度とする。

【0047】

図８（ａ）に示すように、センサ部１１に風向がゼロ度である風が作用する場合、センサ部１１は、風向に応じたカルマン渦によって振動し、軸方向中央部１６がセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側である上側への移動が規制され、センサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側である上側及び下側に周期的に振動する。

【0048】

図８（ｂ）に示すように、センサ部１１に風向が－９０度である風が作用する場合、センサ部１１は、風向に応じたカルマン渦によって振動し、軸方向中央部１６がセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側である上側への移動が規制され、センサ部１１の軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の延在方向一方側及び他方側に周期的に振動する。

【0049】

センサ部１１に風向が－４５度である風が作用する場合についても、センサ部１１は、風向に応じたカルマン渦によって振動し、軸方向中央部１６がセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側である上側への移動が規制された状態で振動する。

【0050】

このように、センサ部１１に風が作用するとき、中央規制部２１によってセンサ部１１の軸方向中央部１６がセンサ部１１の軸方向に直交する方向一方側に移動することを規制することで、カルマン渦によって振動するセンサ部１１の振動を変更させることができる。

【0051】

本実施形態では、中央規制部２１によってセンサ部１１の軸方向中央部１６が初期位置からセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部１１が振動するときに、光源２によって出力された入射光に対してセンサ部１１によって反射されて光検出部３によって検出されるセンサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の振動数を算出し、算出されたセンサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。

【0052】

図９は、センサ部のひずみ量の時間変化を示すグラフである。図９では、横軸に時間をとり、縦軸にセンサ部１１のひずみ量をとって表示している。図９では、所定風速、具体的には２．３ｍ／ｓの風速において風向がゼロ度である風がセンサ部１１に作用する場合について、例えば０．１秒ごとにセンサ部１１のひずみ量を算出し、センサ部１１のひずみ量の時間変化を示している。

【0053】

本実施形態に係る風向計測装置１では、計測環境下で風向を計測する前に、センサ部１１について、基本周波数特性データ及びひずみ特性データを取得するとともに、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す風向特性データを取得する。

【0054】

センサ部１１の振動数と風向との関係を示す風向特性データを取得するため、所定風速及び所定風向を有する風を発生させる風発生装置を用いて、センサ部１１に風を作用させた場合について、センサ部１１からの反射光に基づいて周波数と反射光の光強度との関係を示す風ひずみ周波数特性データ（風ひずみ周波数スペクトル）を算出する。

【0055】

そして、風ひずみ周波数特性データを、基本周波数特性データと比較して光強度ピークの周波数シフト量を算出し、周波数シフト量とひずみ量との関係を示すひずみ特性データを用い、センサ部１１のひずみ量を算出する。図９に示すように、例えば０．１秒ごとにセンサ部１１のひずみ量を算出し、センサ部１１のひずみ量の時間変化を算出する。

【0056】

図１０は、振動数と強度との関係を示す特性データである。図１０では、横軸にセンサ部１１の振動数をとり、縦軸に強度をとって表示している。図１０では、２．３ｍ／ｓの風速において風向がゼロ度である風がセンサ部１１に作用する場合について示している。

【0057】

図９に示すようにセンサ部１１のひずみ量の時間変化が算出されると、図１０に示すように、センサ部１１のひずみ量の時間変化を示すひずみ量波形をフーリエ変換してセンサ部１１の振動数と強度との関係を示す特性データ（振動数スペクトル）を算出する。そして、図１０において矢印で示すように、センサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおける四次成分のピークの振動数ｆ１１を算出する。

【0058】

図１１は、センサ部の振動数と強度との関係を示す別の特性データである。図１１では、横軸にセンサ部１１の振動数をとり、縦軸に強度をとって表示している。図１１では、２．３ｍ／ｓの風速において風向が－９０度である風がセンサ部１１に作用する場合について示している。

【0059】

センサ部１１に風向が－９０度である風を作用させた場合についても、風向がゼロ度である風を作用させた場合と同様に、風ひずみ周波数特性データ（風ひずみ周波数スペクトル）を算出し、風ひずみ周波数特性データを、基本周波数特性データと比較して光強度ピークの周波数シフト量を算出し、周波数シフト量とひずみ量との関係を示すひずみ特性データを用い、センサ部１１のひずみ量の時間変化を算出する。

【0060】

センサ部１１のひずみ量の時間変化が算出されると、センサ部１１の振動数と強度との関係を示す特性データ（振動数スペクトル）を算出し、図１１において矢印で示すように、センサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおける四次成分のピークの振動数ｆ１３を算出する。

【0061】

また、センサ部１１に風向が－４５度である風を作用させた場合についても、風向がゼロ度である風を作用させた場合と同様にして、センサ部１１の振動数と強度との関係を示す特性データ（振動数スペクトル）を算出し、センサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおける四次成分のピークの振動数ｆ１２を算出する。

【0062】

所定風速について風向ゼロ度、－４５度、－９０度についてそれぞれセンサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおけるピークの振動数を算出すると、所定風速についてセンサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す風向特性データを算出する。

【0063】

図１２は、センサ部の振動数と風向との関係を示す風向特性データである。図１２では、横軸に風向をとり、縦軸にセンサ部の振動数をとって表示している。図１２では、２．３ｍ／ｓの風速について風向ゼロ度、－４５度、－９０度についてそれぞれセンサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおける四次成分のピークの振動数を示し、風向がゼロ度、－４５度、－９０度である場合についてそれぞれｆ１１、ｆ１２、ｆ１３として示している。本実施形態では、センサ部１１の振動数ｆ１１、ｆ１２、ｆ１３として、これに限定されるものではないが、２．３ｍ／ｓの風向である場合には２２９．８Ｈｚ，２１４．８Ｈｚ，２２４．７Ｈｚとして算出された。

【0064】

そして、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す風向特性データとして線形関数の関係式である風向特性データＬ１０を算出する。風向特性データＬ１０として、風向がゼロ度から－４５度までは、風向がゼロ度であるときの振動数ｆ１１と風向が－４５度であるときの振動数ｆ１２とを結ぶ線形関数の風向特性データＬ１１を算出し、風向が－４５度から－９０度までは、風向が－４５度であるときの振動数ｆ１２と風向が－９０度であるときの振動数ｆ１３とを結ぶ線形関数の風向特性データＬ１２を算出する。

【0065】

本実施形態では、他の風速についても同様にして、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す風向特性データとして線形関数の関係式である風向特性データＬ１０を算出する。例えば１．０ｍ／ｓ～１０ｍ／ｓまでの風速範囲において、０．１ｍ／ｓ間隔ごとに、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す風向特性データを算出する。

【0066】

所定風速及び所定風向における風向特性データが算出されると、計測環境下に光ファイバ１０のセンサ部１１が風向の計測方向に直交する方向に配置され、中央規制部２１によってセンサ部１１の軸方向中央部１６が初期位置からセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部１１が振動するときに、センサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の振動数を算出し、算出されたセンサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。風速を計測する計測制御は、制御ユニット３０によって実行される。

【0067】

風向計測装置１では、光源２によって出力された入射光に対してセンサ部１１によって反射されて光検出器３によって検出されるセンサ部１１からの反射光に基づいて風向を計測する風向計測は、制御ユニット３０によって行われる。

【0068】

制御ユニット３０は、演算部において、光源２などの作動を制御すると共に、光源２によって出力された入射光に対してセンサ部１１によって反射されて光検出器３によって検出されるセンサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の振動数を算出し、算出されたセンサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測するようになっている。

【0069】

制御ユニット３０には、ディスプレイなどの表示装置が設けられ、表示装置に風向を出力するようになっている。制御ユニット３０にはまた、図示しない計測スイッチが設けられ、制御ユニット３０は、計測スイッチがＯＮ状態で計測を行い、ＯＦＦ状態で計測を終了するようになっている。制御ユニット３０には、記憶部に、光ファイバ１０の基本周波数特性データ、ひずみ特性データ及び風向特性データが記憶されると共に計測制御プログラムなどが記憶されている。なお、制御ユニット３０は、コンピュータを主要部として構成されている。

【0070】

図１３は、風向計測装置の計測制御を示すフローチャートである。風向を計測する際には、中央規制部２１によってセンサ部１１の軸方向中央部１６が規制された状態で、計測環境下に光ファイバ１０のセンサ部１１が風向の計測方向に直交する方向に配置される。風向を計測する計測制御は、制御ユニット３０によって実行される。

【0071】

図１３に示すように、制御ユニット３０では、計測スイッチがＯＮ状態とされて計測制御を行う際に先ず、基本周波数特性データが取得され（ステップＳ１）、ひずみ特性データが取得され（ステップＳ２）、風向特性データが取得され（ステップＳ３）、そして計測処理制御が行われる（ステップＳ４）。

【0072】

図１４は、計測処理制御を示すフローチャートである。図１４に示すように、計測処理制御では、計測環境下において、例えば中央規制部２１上に配置された熱線式風速計などの風速計５を用いて風速が計測され（ステップＳ１１）、計測環境下において計測周波数特性データが算出される（ステップＳ１２）。計測周波数特性データとして、計測環境下に配置されたセンサ部１１に入射光を出力し、センサ部１１によって反射される反射光の光強度の時間変化をフーリエ変換した光強度の周波数スペクトルが算出される。

【0073】

次に、ステップＳ１２において算出された計測周波数特性データが、ステップＳ１において取得された基本周波数特性データと比較されて光強度ピークの周波数シフト量が算出される（ステップＳ１３）。計測環境下の反射光の光強度の周波数スペクトルが、無風環境下の反射光の光強度の周波数スペクトルと比較され、反射光の光強度の所定周波数におけるピークの周波数のずれ量である光強度ピークの周波数シフト量の時間変化が算出される。

【0074】

反射光の光強度ピークの周波数シフト量の時間変化から、ステップＳ２において取得された周波数シフト量とひずみ量との関係を示すひずみ特性データを用いて、センサ部１１のひずみ量の時間変化が算出され、算出されたセンサ部１１のひずみ量の時間変化であるひずみ量波形をフーリエ変換してセンサ部１１の振動数と強度との関係を示す特性データ（振動数スペクトル）が算出され（ステップＳ１４）、センサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおける四次成分のピークの振動数ｆａが算出される（ステップＳ１５）。

【0075】

ステップＳ１５においてセンサ部の振動数として振動数ｆａが算出されると、所定風速におけるセンサ部１１の振動数計測範囲であるか否かが判定される（ステップＳ１６）。図１２に示すように、所定風速におけるセンサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データにおいて、センサ部１１の振動数の最大値である最大振動数ｆ１１とセンサ部１１の振動数の最小値である最小振動数ｆ１３との間である振動数計測範囲であるか否かが判定される。

【0076】

ステップＳ１６での判定結果がイエス（ＹＥＳ）の場合、ステップＳ１５において算出されたセンサ部１１の振動数ｆａから、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向が算出される（ステップＳ１７）。図１２に示すように、センサ部１１の振動数ｆａから、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向がθａとして算出される。ステップＳ１７において風向が算出されると、表示装置に風向を出力する（ステップＳ１８）。

【0077】

一方、ステップＳ１６での判定結果がノーの場合、表示装置に風向を計測不能として出力する（ステップＳ２０）。ステップＳ１８又はステップＳ２０において風向を出力すると、風向の計測処理を終了するか否かが判定される（ステップＳ１９）。ステップ１９では計測スイッチがＯＦＦ状態であるか否かが判定される。ステップＳ１９での判定結果がノーの場合、ステップＳ１１に戻って再び風向が算出され、ステップＳ１９での判定結果がイエスの場合、風向の計測を終了する。

【0078】

このように、風向計測装置１では、計測環境下にセンサ部１１の軸方向中央部１６が中央規制部２１によって初期位置からセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側へ移動することが規制された状態でセンサ部１１を配置し、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部１１が振動するときに、光源２によって出力された入射光に対してセンサ部１１によって反射されて光検出部３によって検出されるセンサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の振動数を算出し、算出されたセンサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。

【0079】

本実施形態では、センサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の軸方向中央部１６を規制する中央規制部２１の法線方向と、前記法線方向及びセンサ部１１の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測する。

【0080】

風向計測装置１は、例えば、図７に示すように、中央規制部２１の延在方向が車体前側から車体後側に向かう方向であるとともにセンサ部１１の軸方向が車幅方向であり、且つ中央規制部２１がセンサ部１１の車体上側に当接するように配置される。この場合、風向計測装置１は、センサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の軸方向中央部１６を規制する中央規制部２１の法線方向である車体下側の方向と、前記法線方向及びセンサ部１１の軸方向に直交する方向である車体前側の方向との間の角度範囲の風向を計測する。

【0081】

本実施形態では、センサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおける四次成分のピークの振動数を算出しているが、他の成分のピークの振動数を算出するようにすることも可能である。本実施形態では、風向特性データを算出するため、風向ゼロ度、－４５度、－９０度についてそれぞれセンサ部１１の振動数を算出しているが、他の風向についてセンサ部１１の振動数を算出するようにしてもよい。

【0082】

このように、本実施形態では、光ファイバ１０を用いて風向を計測する際に、中央規制部２１によってセンサ部１１の軸方向中央部１６が初期位置から一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦１７によってセンサ部１１が振動するときに、センサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データを用いて風向が計測される。

【0083】

これにより、センサ部１１の軸方向中央部１６の移動が規制された光ファイバ１０のセンサ部１１の変化から風向を直接的に計測することができるので、風向を精度良く検出することができる。風を受ける受風部を備えたレバーを用いる必要がなく、受風部を備えたレバーを用いる場合のように風の状態が変化することを抑制することができ、エンジンルーム内などの限られたスペースにおいても風向を精度良く検出することができる。

【0084】

また、センサ部１１は、風向の計測方向に直交する方向に配置される。これにより、風向の計測方向に直交する方向にセンサ部が配置されない場合に比して、風向を精度良く検出することができる。

【0085】

また、センサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の軸方向中央部１６を規制する中央規制部２１の法線方向と、前記法線方向及びセンサ部１１の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測する。これにより、９０度の角度範囲の風向を計測することができ、風向を精度良く検出することができる。

【0086】

図１５は、本発明の第２実施形態に係る風向計測装置の要部を示す図である。第２実施形態に係る風向計測装置３１は、第１実施形態に係る風向計測装置１において、光ファイバ１０が平行に配置される２つのセンサ部を有するものであり、風向計測装置１と同様の構成については説明を省略する。

【0087】

風向計測装置３１は、風向計測装置１と同様に、光ファイバ１０と、光源２と、光検出器３と、光ファイバ１０のセンサ部１１の振動を変更する振動変更機構２０と、光源２及び光検出器３に接続された制御ユニット３０と、熱線式風速計などの風速計５とを備えている。

【0088】

図１５に示すように、風向計測装置３１では、光ファイバ１０のセンサ部１１は、平行に配置される２つのセンサ部１１ａ、１１ｂである第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂを有している。光源２は、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂに入射光を出力し、光検出器３は、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂからの反射光を検出するようになっている。

【0089】

第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂはそれぞれ、風向の計測方向に直交する方向に延びるように配置される。例えば、エンジンルーム内において車体前側から車体後側に流れる風向を計測する場合、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂは、車体前後方向に直交する方向である車幅方向に延びるように配置される。

【0090】

第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂは、同一長さを有し、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの一方の被支持部１２がそれぞれ第１支持部７に固定して支持され、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの他方の被支持部１２がそれぞれ第２支持部８に支持されている。第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの他方の被支持部１２はそれぞれ光源２及び光検出器３などに接続されている。

【0091】

振動変更機構２０は、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂがそれぞれ直線状に延びる初期位置から第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側へそれぞれ第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの軸方向中央部１６が移動することを規制する中央規制部２１によって構成されている。

【0092】

中央規制部２１は、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂがそれぞれ直線状に延びる初期位置から第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側へ第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの軸方向中央部１６ａ、１６ｂが移動することを規制する中央規制部２１ａ，２１ｂを有している。

【0093】

中央規制部２１ａ，２１ｂはそれぞれ、断面略四角形状に形成された棒状部材によって形成され、支持ユニット６の前記基部に固定して取り付けられている。中央規制部２１ａ、２１ｂはそれぞれ、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの両端部から第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの長さの半分の長さの位置における第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの移動を規制する。

【0094】

中央規制部２１ａは、風向計測装置１の中央規制部２１と同様に、第１センサ部１１ａの軸方向中央部１６ａにおける第１センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向一方側である上側に当接して配置されて第１センサ部１１ａの軸方向に直交する方向に延在している。一方、中央規制部２１ｂは、第２センサ部１１ｂの軸方向中央部１６ｂにおける第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側である下側に当接して配置されて第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する方向に延在している。

【0095】

中央規制部２１ａは、第１センサ部１１ａが初期位置から第１センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向一方側である上側へ第１センサ部１１ａの軸方向中央部１６ａが移動することを規制し、中央規制部２１ｂは、第２センサ部１１ｂが初期位置から第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側である下側へ第２センサ部１１ｂの軸方向中央部１６ｂが移動することを規制する。第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂは、中央規制部２１ａ、２１ｂによってそれぞれ反対側から規制されている。

【0096】

本実施形態では、中央規制部２１によって、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの軸方向中央部１６が初期位置から第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側へ移動することを規制した状態で、風向に応じたカルマン渦によって第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂが振動するときに、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの振動数を算出し、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの振動数から、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂの振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。

【0097】

図１６は、所定風向によるセンサ部の振動を説明する説明図である。図１６に示すように、第１センサ部１１ａに中央規制部２１ａが設けられる場合、風向計測装置１のセンサ部１１と同様に、第１センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１ａの延在方向一方側である前側（白矢印Ａ１で示す方向）から第１センサ部１１ａに風が作用すると、第１センサ部１１ａの軸方向中央部１６は、第１センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向一方側である上側への移動が規制されるので、カルマン渦１７によって、初期位置（実線で示す位置）と、第１センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向他方側である下側（二点鎖線で示す位置）との間において周期的に振動する。

【0098】

第１センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の法線方向である下側（矢印Ａ２で示す方向）から第１センサ部１１ａに風が作用する場合、及び第１センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の延在方向一方側から中央規制部２１の法線方向に向けて－４５度の前下側から（矢印Ａ３で示す方向）から第１センサ部１１ａに風が作用する場合についてもそれぞれ、第１センサ部１１ａの軸方向中央部１６ａは、第１センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向一方側である上側への移動が規制された状態で、カルマン渦１７に応じて振動する。

【0099】

第２センサ部１１ｂに中央規制部２１ｂが設けられる場合、第１センサ部１１ａに中央規制部２１ａが設けられる場合とは反対側に、第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１ａの延在方向一方側である前側（白矢印Ａ１で示す方向）から第２センサ部１１ｂに風が作用すると、第２センサ部１１ｂの軸方向中央部１６ｂは、第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側である下側への移動が規制されるので、カルマン渦１７によって、初期位置（実線で示す位置）と、第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向他方側である上側（二点鎖線で示す位置）との間において周期的に振動する。

【0100】

第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１ｂの法線方向である上側（矢印Ａ４で示す方向）から第２センサ部１１ｂに風が作用する場合、及び第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１ｂの延在方向一方側から中央規制部２１の法線方向に向けて４５度の前上側から（矢印Ａ５で示す方向）から第２センサ部１１ｂに風が作用する場合についてもそれぞれ、第２センサ部１１ｂの軸方向中央部１６ｂは、第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側である下側への移動が規制された状態で、カルマン渦１７に応じて振動する。

【0101】

図１７は、所定風向によるセンサ部の振動を説明する別の説明図である。図１７は、図１６において白矢印Ａ１で示す方向である風向がゼロ度である場合についてセンサ部１１ａ、１１ｂの振動を示している。センサ部１１ａ、１１ｂに作用する風向は、センサ部１１ａ、１１ｂの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１の延在方向一方側である前側をゼロ度とし、センサ部１１ａの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１ａの法線方向である下側を－９０度とし、センサ部１１ｂの軸方向に直交する直交方向且つ中央規制部２１ｂの法線方向である上側を９０度とする。

【0102】

図１７に示すように、センサ部１１ａに風向がゼロ度である風が作用する場合、センサ部１１ａは、風向に応じたカルマン渦によって振動し、軸方向中央部１６ａが上側への移動が規制された状態で振動する。センサ部１１ｂに風向がゼロ度である風が作用する場合、センサ部１１ｂは、風向に応じたカルマン渦によって振動し、軸方向中央部１６ｂが下側への移動が規制された状態で振動する。

【0103】

センサ部１１ａに風向が－９０度である風が作用する場合、及びセンサ部１１ａに風向が－４５度である風が作用する場合についても、風向計測装置１のセンサ部１１と同様に、センサ部１１ａは、軸方向中央部１６がセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側である上側への移動が規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によって振動する。

【0104】

センサ部１１ｂに風向が９０度である風が作用する場合、及びセンサ部１１ｂに風向が４５度である風が作用する場合は、センサ部１１ａに風向が－９０度である風が作用する場合、及びセンサ部１１ａに風向が－４５度である風が作用する場合と上下方向に反対側であることを除き、センサ部１１ａと略同様に、センサ部１１ｂは、軸方向中央部１６ｂが下側への移動が規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によって振動する。

【0105】

このように、センサ部１１ａ、１１ｂに風が作用するとき、中央規制部２１ａ、２１ｂによってセンサ部１１ａ、１１ｂの軸方向中央部１６ａ、１６ｂがセンサ部１１ａ、１１ｂの移動を規制することでカルマン渦によって振動するセンサ部１１の振動を変更させることができる。

【0106】

本実施形態においても、中央規制部２１ａ、２１ｂによってセンサ部１１ａ、１１ｂの軸方向中央部１６ａ、１６ｂが初期位置からセンサ部１１ａ、１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦１７によってセンサ部１１ａ、１１ｂが振動するときに、センサ部１１ａ、１１ｂからの反射光に基づいて、センサ部１１ａ、１１ｂの振動数を算出し、算出されたセンサ部１１ａ、１１ｂの振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。

【0107】

風向計測装置３１についても、風向計測装置１と同様に、計測環境下で風向を計測する前に、センサ部１１ａ、１１ｂについてそれぞれ、基本周波数特性データ及びひずみ特性データを取得するとともに、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す風向特性データを取得する。

【0108】

センサ部１１ａにおける風向特性データは、風向計測装置１のセンサ部１１と同様に、所定風速について風向ゼロ度、－４５度、－９０度についてそれぞれセンサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおけるピークの振動数を算出すると、所定風速についてセンサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す風向特性データを算出する。

【0109】

センサ部１１ａについて、図１２に示すように、例えば２．３ｍ／ｓの風速では、風向がゼロ度、－４５度、－９０度である場合についてそれぞれセンサ部１１の振動数として振動数スペクトルにおけるピークの振動数ｆ１１、ｆ１２、ｆ１３が２２９．８Ｈｚ，２１４．８Ｈｚ，２２４．７Ｈｚとして算出される。

【0110】

そして、センサ部１１ａについて風向特性データＬ１０として、風向がゼロ度から－４５度までは、風向がゼロ度であるときの振動数ｆ１１と風向が－４５度であるときの振動数ｆ１２とを結ぶ線形関数の風向特性データＬ１１を算出し、風向が－４５度から－９０度までは、風向が－４５度であるときの振動数ｆ１２と風向が－９０度であるときの振動数ｆ１３とを結ぶ線形関数の風向特性データＬ１２を算出する。

【0111】

図１８は、センサ部の振動数と風向との関係を示す風向特性データである。図１８では、横軸に風向をとり、縦軸にセンサ部の振動数をとって表示し、センサ部１１ｂの風向特性データを示している。図１８では、２．３ｍ／ｓの風速について風向ゼロ度、４５度、９０度についてそれぞれセンサ部１１ｂの振動数として振動数スペクトルにおける四次成分のピークの振動数を示し、風向がゼロ度、４５度、９０度である場合についてそれぞれｆ２１、ｆ２２、ｆ２３として示している。本実施形態では、センサ部１１ｂの振動数ｆ２１、ｆ２２、ｆ２３として、これに限定されるものではないが、２．３ｍ／ｓの風向である場合には２２９．８Ｈｚ，２１４．８Ｈｚ，２２４．７Ｈｚとして算出された。

【0112】

そして、センサ部１１ｂの振動数と風向との関係を示す風向特性データとして線形関数の関係式である風向特性データＬ２０を算出する。風向特性データＬ２０として、風向がゼロ度から４５度までは、風向がゼロ度であるときの振動数ｆ２１と風向が４５度であるときの振動数ｆ２２とを結ぶ線形関数の風向特性データＬ２１を算出し、風向が４５度から９０度までは、風向が４５度であるときの振動数ｆ２２と風向が９０度であるときの振動数ｆ２３とを結ぶ線形関数の風向特性データＬ２２を算出する。

【0113】

他の風速についても同様にして、センサ部１１ａ、センサ部１１ｂについてそれぞれ、センサ部１１ａ、１１ｂの振動数と風向との関係をそれぞれ示す風向特性データとして線形関数の関係式である風向特性データＬ１０、Ｌ２０を算出する。センサ部１１ａは、風向ゼロ度を超えて風向９０度までの風向を有する風が作用する場合、センサ部１１ａの振動数がセンサ部１１ａ、１１ｂの振動数計測範囲より非常に小さくなり、センサ部１１ｂは、風向ゼロ度より小さく風向－９０度までの風向を有する風が作用する場合、センサ部１１ｂの振動数がセンサ部１１ａ、１１ｂの振動数計測範囲より非常に小さくなる。

【0114】

本実施形態についても、所定風速及び所定風向における風向特性データが算出されると、計測環境下に光ファイバ１０のセンサ部１１が風向の計測方向に直交する方向に配置され、中央規制部２１によってセンサ部１１の軸方向中央部が初期位置からセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部１１が振動するときに、センサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部の振動数を算出し、算出されたセンサ部の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。風速を計測する計測制御は、制御ユニット３０によって実行される。

【0115】

本実施形態についても、制御ユニット３０は、計測スイッチがＯＮ状態で計測を行い、ＯＦＦ状態で計測を終了するようになっている。制御ユニット３０には、記憶部に、光ファイバ１０の基本周波数特性データ、ひずみ特性データ及び風向特性データが記憶されると共に計測制御プログラムなどが記憶されている。

【0116】

図１９は、風向計測装置の計測制御を示すフローチャートである。風向を計測する際には、平行に配置された２つのセンサ部１１ａ、１１ｂの軸方向中央部１６が中央規制部２１ａ、２１ｂによってそれぞれ規制された状態で、計測環境下に光ファイバ１０のセンサ部１１ａ、１１ｂが風向の計測方向に直交する方向に配置される。

【0117】

図１９に示すように、制御ユニット３０では、計測スイッチがＯＮ状態とされて計測制御を行う際に先ず、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂについてそれぞれ、基本周波数特性データが取得され（ステップＳ２１）、ひずみ特性データが取得され（ステップＳ２２）、風向特性データが取得され（ステップＳ２３）、そして計測処理制御が行われる（ステップＳ２４）。

【0118】

図２０は、計測処理制御を示すフローチャートである。図１５に示すように、計測処理制御では、計測環境下において、例えば中央規制部２１ａ上に配置された熱線式風速計などの風速計５を用いて風速が計測され（ステップＳ３１）、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂについてそれぞれ、計測環境下において計測周波数特性データが算出される（ステップＳ３２）。計測周波数特性データとして、計測環境下に配置されたセンサ部１１ａ、１１ｂにそれぞれ入射光を出力し、センサ部１１ａ、１１ｂによってそれぞれ反射される反射光の光強度の時間変化をフーリエ変換した光強度の周波数スペクトルが算出される。

【0119】

次に、第１センサ部１１ａ及び第２センサ部１１ｂについてそれぞれ、ステップＳ３２において算出された計測周波数特性データが、ステップＳ２１において取得された基本周波数特性データと比較されて光強度ピークの周波数シフト量が算出される（ステップＳ３３）。計測環境下の反射光の光強度の周波数スペクトルが、無風環境下の反射光の光強度の周波数スペクトルと比較され、反射光の光強度の所定周波数におけるピークの周波数のずれ量である光強度ピークの周波数シフト量の時間変化が算出される。

【0120】

反射光の光強度ピークの周波数シフト量の時間変化から、ステップＳ２２において取得された周波数シフト量とひずみ量との関係を示すひずみ特性データを用いて、センサ部１１ａ、１１ｂのひずみ量の時間変化が算出され、算出されたセンサ部１１ａ、１１ｂのひずみ量の時間変化であるひずみ量波形をそれぞれフーリエ変換してセンサ部１１ａ、１１ｂの振動数と強度との関係を示す特性データ（振動数スペクトル）が算出され（ステップＳ３４）、センサ部１１ａ、１１ｂの振動数として振動数スペクトルにおける四次成分のピークの振動数ｆｂが算出される（ステップＳ３５）。

【0121】

ステップＳ３５においてセンサ部１１ａ、１１ｂの振動数として振動数が算出されると、所定風速における第１センサ部１１ａの振動数計測範囲であるか否かが判定される（ステップＳ３６）。図１２に示すように、所定風速におけるセンサ部１１ａの振動数と風向との関係を示す特性データＬ１０において、センサ部１１ａの振動数の最大値である最大振動数ｆ１１とセンサ部１１ａの振動数の最小値である最小振動数ｆ１３との間である振動数計測範囲（最小振動数ｆ１３以上最大振動数ｆ１１以下）であるか否かが判定される。

【0122】

ステップＳ３６での判定結果がイエスの場合、ステップＳ３５において算出された第１センサ部１１ａの振動数ｆａから、センサ部１１ａの振動数と風向との関係を示す特性データＬ１０に基づいて風向が算出される（ステップＳ３７）。図１２に示すように、センサ部１１ａの振動数ｆａから、センサ部１１ａの振動数と風向との関係を示す特性データＬ１０に基づいて風向がθａとして算出される。ステップＳ３７において風向が算出されると、表示装置に風向を出力する（ステップＳ３８）。

【0123】

一方、ステップＳ３６での判定結果がノーの場合、所定風速における第２センサ部１１ｂの振動数計測範囲であるか否かが判定される（ステップＳ４０）。図１８に示すように、所定風速におけるセンサ部１１ｂの振動数と風向との関係を示す特性データＬ２０において、センサ部１１ｂの振動数の最大値である最大振動数ｆ２１とセンサ部１１ｂの振動数の最小値である最小振動数ｆ２３との間である振動数計測範囲（最小振動数ｆ２３以上最大振動数ｆ２１未満）であるか否かが判定される。

【0124】

ステップＳ４０での判定結果がイエスの場合、ステップＳ３５において算出された第２センサ部１１ｂの振動数ｆｂから、センサ部１１ｂの振動数と風向との関係を示す特性データＬ２０に基づいて風向が算出される（ステップＳ４１）。図１８に示すように、センサ部１１ｂの振動数ｆｂから、センサ部１１ｂの振動数と風向との関係を示す特性データＬ２０に基づいて風向がθｂとして算出される。ステップＳ４１において風向が算出されると、表示装置に風向を出力する（ステップＳ４２）。

【0125】

一方、ステップＳ４０での判定結果がノーの場合、表示装置に風向を計測不能として出力する（ステップＳ４３）。ステップＳ３８、ステップＳ４２又はステップＳ４３において風向を出力すると、風向の計測処理を終了するか否かが判定される（ステップＳ３９）。ステップ３９では計測スイッチがＯＦＦ状態であるか否かが判定される。ステップＳ３９での判定結果がノーの場合、ステップＳ３１に戻って再び風向が算出され、ステップＳ３９での判定結果がイエスの場合、風向の計測を終了する。

【0126】

風向計測装置３１においても、計測環境下にセンサ部１１の軸方向中央部１６が中央規制部２１によって初期位置からセンサ部１１の軸方向に直交する直交方向一方側へ移動することが規制された状態でセンサ部１１を配置し、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部１１が振動するときに、光源２によって出力された入射光に対してセンサ部１１によって反射されて光検出部３によって検出されるセンサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の振動数を算出し、算出されたセンサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データに基づいて風向を計測する。

【0127】

本実施形態では、第１センサ部１１ａからの反射光に基づいて、第１センサ部１１ａの軸方向中央部１６ａを規制する中央規制部２１ａの法線方向と、前記法線方向及びセンサ部１１ａの軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測し、第２センサ部１１ｂからの反射光に基づいて、第２センサ部１１ｂの軸方向中央部１６ｂを規制する中央規制部２１ｂの法線方向と、前記法線方向及び第２センサ部１１ｂの軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測する。

【0128】

このように、本実施形態においても、光ファイバ１０を用いて風向を計測する際に、中央規制部２１によってセンサ部１１の軸方向中央部１６が初期位置から一方側へ移動することが規制された状態で、風向に応じたカルマン渦によってセンサ部１１が振動するときに、センサ部１１の振動数から、センサ部１１の振動数と風向との関係を示す特性データを用いて風向が計測される。これにより、センサ部１１の軸方向中央部１６の移動が規制された光ファイバ１０のセンサ部１１の変化から風向を直接的に計測することができるので、風向を精度良く検出することができる。風を受ける受風部を備えたレバーを用いる必要がなく、受風部を備えたレバーを用いる場合のように風の状態が変化することを抑制することができ、エンジンルーム内などの限られたスペースにおいても風向を精度良く検出することができる。

【0129】

また、センサ部１１は、風向の計測方向に直交する方向に配置される。これにより、風向の計測方向に直交する方向にセンサ部が配置されない場合に比して、風向を精度良く検出することができる。

【0130】

また、センサ部１１からの反射光に基づいて、センサ部１１の軸方向中央部１６を規制する中央規制部２１の法線方向と、前記法線方向及びセンサ部１１の軸方向に直交する方向との間の角度範囲の風向を計測する。これにより、９０度の角度範囲の風向を計測することができ、風向を精度良く検出することができる。

【0131】

また、光ファイバ１０は、平行に配置される２つのセンサ部１１ａ、１１ｂを有し、２つのセンサ部１１ａ、１１ｂは、中央規制部２１ａ、２１ｂによってそれぞれ反対側から規制される。これにより、２つのセンサ部１１ａ、１１ｂの軸方向に直交する直交方向一方側及び他方側からの風向を直接的に計測することができ、広範囲に亘って風向を計測することができる。

【0132】

本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0133】

以上のように、本発明によれば、風向を精度良く計測することが可能であるから、例えば車両のエンジンルーム内の風向を計測する場合など、光ファイバを用いて風向を計測する際に好適に適用可能である。

【符号の説明】

【0134】

１，３１ 風向計測装置
２ 光源
３ 光検出部
５ 風速計
１０ 光ファイバ
１１，１１ａ，１１ｂ センサ部
２１，２１ａ，２１ｂ 中央規制部
３０ 制御ユニット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】