特開 2024-145856 温湿度計測装置、及び、温湿度計測方法

(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】P2024145856

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】温湿度計測装置、及び、温湿度計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/024 20060101AFI20241004BHJP

   G01N 29/032 20060101ALI20241004BHJP

   G01K 11/24 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

G01N29/024

G01N29/032

G01K11/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023058398

(22)【出願日】2023-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】518212241

【氏名又は名称】公立大学法人公立諏訪東京理科大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002697

【氏名又は名称】めぶき弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100104709

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 誠剛

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 毅

【テーマコード（参考）】

2F056

2G047

【Ｆターム（参考）】

2F056VS02

2F056VS03

2F056VS04

2F056VS07

2F056VS10

2G047AA01

2G047BC02

2G047BC03

2G047BC16

2G047BC19

(57)【要約】

【課題】屋外に設置した場合にあっても、音波のシグナルを検出して、温湿度を計測することができる、温湿度計測装置を提供すること。
【解決手段】温湿度計測装置１００は、音波２６０を放射する送信部１５０、第１の音波伝播路１６１、第１の受信部１８１、第２の音波伝播路１６２、第２の受信部と１８２を備える測定部を含む。第１の音波伝播路１６１は、第１の回転楕円弧の内面の一部を構成する第１の反射板２０１を備え、第２の音波伝播路１６２は、第２の回転楕円弧の内面の一部を構成する第２の反射板２０２を備える。送信部は、共有されている、第１の回転楕円弧の第１の焦点１４１ａ及び第２の回転楕円弧の第１の焦点１４２ａの位置に配置され、第１の反射板２０１及び第２の反射板２０２は、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播距離と第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝播距離とが異なる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

音波を使って温湿度を計測する温湿度計測装置であって、
音波を放射する送信部と、第１の音波伝播路と、第１の受信部と、第２の音波伝播路と、第２の受信部と、を備える測定部を備え、
前記第１の音波伝播路は、第１の回転楕円弧の内面の一部を構成する第１の反射面を備える第１の反射板を備え、
前記第２の音波伝播路は、第２の回転楕円弧の内面の一部を構成する第２の反射面を備える第２の反射板を備え、
前記第１の反射板及び前記第２の反射板は、前記第１の回転楕円弧の第１の焦点の位置及び前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置を共有するように配置され、
前記送信部は、共有されている、前記第１の回転楕円弧の第１の焦点及び前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置に配置され、
前記第１の受信部は、前記第１の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、
前記第２の受信部は、前記第２の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、
前記第１の反射板及び前記第２の反射板は、前記第１の音波伝播路における音波の伝播距離と前記第２の音波伝播路における音波の伝播距離とが異なるように構成されていること、を特徴とする温湿度計測装置。

【請求項2】

請求項１に記載の温湿度計測装置であって、
演算部をさらに有し、
前記演算部は、前記第１の音波伝播路における音波の伝播時間、及び／又は、前記第２の音波伝播路における音波の伝播時間に基づいて仮温度を計算すること、を特徴とする温湿度計測装置。

【請求項3】

請求項２に記載の温湿度計測装置であって、
前記演算部は、前記第１の音波伝播路における音波の減衰量と前記第２の音波伝播路における音波の減衰量とを比較し、湿度を計算すること、を特徴とする温湿度計測装置。

【請求項4】

請求項３に記載の温湿度計測装置であって、
前記演算部は、前記仮温度及び前記湿度に基づいて実温度を計算すること、を特徴とする温湿度計測装置。

【請求項5】

請求項１に記載の温湿度計測装置であって、
前記測定部は、第３の音波伝播路と、第３の受信部と、第４の音波伝播路と、第４の受信部と、をさらに備え、
前記第３の音波伝播路は、第３の回転楕円弧の内面の一部を構成する第３の反射面を備える第３の反射板を備え、
前記第４の音波伝播路は、第４の回転楕円弧の内面の一部を構成する第４の反射面を備える第４の反射板を備え、
前記第３の反射板は、前記第３の回転楕円弧の第１の焦点の位置を、前記第１の反射板の前記第１の回転楕円弧の第１の焦点の位置及び前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置と共有するように配置され、
前記第４の反射板は、前記第４の回転楕円弧の第１の焦点の位置を、前記第１の反射板の前記第１の回転楕円弧の第１の焦点の位置、前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置、及び、前記第３の回転楕円弧の第１の焦点の位置、と共有するように配置され、
前記第３の受信部は、前記第３の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、
前記第４の受信部は、前記第４の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、
前記第１の反射板、前記第２の反射板、前記第３の反射板及び前記第４の反射板の中から任意の３つの反射板を選択したときに、選択可能な前記３つの反射板のすべての組み合わせにおいて、前記３つの反射板は、それぞれの音波伝播路における前記音波の伝播方向を示す方向ベクトルが同一平面上に存在しないように配置されていること、を特徴とする温湿度計測装置。

【請求項6】

請求項１又は２に記載の温湿度計測装置であって、
制御部をさらに有し、
前記制御部は、前記送信部を制御して、周波数が２０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の音波を、時間間隔をおいて放射させること、を特徴とする温湿度計測装置。

【請求項7】

請求項６に記載の温湿度計測装置であって、
前記制御部は、前記送信部を制御して、時間とともに周波数が変化するチャープ波を放射させること、を特徴とする温湿度計測装置。

【請求項8】

請求項１又は２に記載の温湿度計測装置であって、
前記測定部を回動させる回動部を有すること、を特徴とする温湿度計測装置。

【請求項9】

音波を放射する送信部と、第１の音波伝播路と、第１の受信部と、第２の音波伝播路と、第２の受信部と、を備える測定部と、を備える温湿度計測装置を用いる温湿度計測方法であって、
前記第１の音波伝播路は、第１の回転楕円弧の内面の一部を構成する第１の反射面を備える第１の反射板を備え、
前記第２の音波伝播路は、第２の回転楕円弧の内面の一部を構成する第２の反射面を備える第２の反射板を備え、
前記送信部は、前記第１の回転楕円弧の第１の焦点及び前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置に配置され、
前記第１の受信部は、前記第１の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、
前記第２の受信部は、前記第２の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、
前記送信部から、前記第１の反射面及び前記第２の反射面に向けて音波を放射させる放射ステップと、
前記放射ステップにおいて放射した音波を、前記第１の反射面又は前記第２の反射面で反射させる反射ステップと、
前記反射ステップで反射した音波を、前記第１の受信部又は前記第２の受信部で受信する受信ステップと、
前記第１の音波伝播路における音波の伝播時間及び／又は前記第２の音波伝播路における音波の伝播時間に基づいて仮温度を計算する仮温度計算ステップと、
前記第１の音波伝播路における音波の減衰量及び前記第２の音波伝播路における音波の減衰量に基づいて湿度を計算する湿度計算ステップと、
前記仮温度と前記湿度とに基づいて実温度を計算する実温度計算ステップと、を備えることを特徴とする温湿度計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温湿度計測装置、及び、温湿度計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

気体中を伝播する超音波の伝播速度が気体の温度や湿度に依存することを利用して、超音波の伝播速度から気体の温度や湿度を計測する温度計測装置、温湿度計測装置が知られている（特許文献１、非特許文献１等）。

【0003】

特許文献１には、空気を含む気体中において、超音波送信素子と反射板とを距離Ｌ／２の間隔をおいて配置し、超音波送信素子から超音波を送信して反射板に超音波をあて、反射波が戻ってくるまでの時間を測定し、温度を算出する温度計測装置が記載されている。

【0004】

非特許文献１には、超音波が湿潤空気中を伝播されるとき、湿度に応じて超音波が減衰することに着目し、超音波が、超音波送信素子から送信され、受信素子で受信されるまでの、時間と減衰とを計測することにより、超音波が伝播する空気の温度と湿度とを同時に計測する、温湿度センサーが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００－３２９６２３号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】茂木貴弘，「超音波の音速と減衰に基づく温湿度計測法に関する研究」 筑波大学学位論文 公開日：２０１４年１１月１０日，［令和４年４月５日検索］，インターネット＜URL：http://hdl.handle.net/2241/00122433＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、先行技術文献に記載された温湿度計測装置や温湿度計測方法では、受信器で受信され、又は、検出される信号の強度が弱く、ノイズの影響を受けやすいことがある。特に、温湿度計測装置を屋外に設置した場合には、雨、霧等の周辺環境の影響により、検出される信号がノイズに埋もれてしまい、温湿度を正確に測定することが難しい、という課題があった。

【0008】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、温湿度を計測する環境が良好でない場合であっても、シグナルを検出することが可能であり、温湿度を正確に測定することができる温湿度計測装置を提供すること、又は、温湿度を正確に測定することができる温湿度測定方法を提供すること、を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

［１］本発明の温湿度計測装置は、音波を使って温湿度を計測する温湿度計測装置であって、音波を放射する送信部と、第１の音波伝播路と、第１の受信部と、第２の音波伝播路と、第２の受信部と、を備える測定部を備え、前記第１の音波伝播路は、第１の回転楕円弧の内面の一部を構成する第１の反射面を備える第１の反射板を備え、前記第２の音波伝播路は、第２の回転楕円弧の内面の一部を構成する第２の反射面を備える第２の反射板を備え、前記第１の反射板及び前記第２の反射板は、前記第１の回転楕円弧の第１の焦点の位置及び前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置を共有するように配置され、前記送信部は、共有されている、前記第１の回転楕円弧の第１の焦点及び前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置に配置され、前記第１の受信部は、前記第１の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、前記第２の受信部は、前記第２の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、前記第１の反射板及び前記第２の反射板は、前記第１の音波伝播路における音波の伝播距離と前記第２の音波伝播路における音波の伝播距離とが異なるように構成されている。

【0010】

［２］本発明の温湿度計測装置においては、演算部をさらに有し、前記演算部は、前記第１の音波伝播路における音波の伝播時間、及び／又は、前記第２の音波伝播路における音波の伝播時間に基づいて仮温度を計算すること、が好ましい。

【0011】

［３］本発明の温湿度計測装置においては、前記演算部は、前記第１の音波伝播路における音波の減衰量と前記第２の音波伝播路における音波の減衰量とを比較し、湿度を計算すること、が好ましい。

【0012】

［４］本発明の温湿度計測装置においては、前記演算部は、前記仮温度及び前記湿度に基づいて実温度を計算すること、が好ましい。

【0013】

［５］本発明の温湿度計測装置においては、前記測定部は、第３の音波伝播路と、第３の受信部と、第４の音波伝播路と、第４の受信部と、をさらに備え、前記第３の音波伝播路は、第３の回転楕円弧の内面の一部を構成する第３の反射面を備える第３の反射板を備え、前記第４の音波伝播路は、第４の回転楕円弧の内面の一部を構成する第４の反射面を備える第４の反射板を備え、前記第３の反射板は、前記第３の回転楕円弧の第１の焦点の位置を、前記第１の反射板の前記第１の回転楕円弧の第１の焦点の位置及び前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置と共有するように配置され、前記第４の反射板は、前記第４の回転楕円弧の第１の焦点の位置を、前記第１の反射板の前記第１の回転楕円弧の第１の焦点の位置、前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置、及び、前記第３の回転楕円弧の第１の焦点の位置、と共有するように配置され、前記第３の受信部は、前記第３の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、前記第４の受信部は、前記第４の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、前記第１の反射板、前記第２の反射板、前記第３の反射板及び前記第４の反射板の中から任意の３つの反射板を選択したときに、選択可能な前記３つの反射板のすべての組み合わせにおいて、前記３つの反射板は、それぞれの音波伝播路における前記音波の伝播方向を示す方向ベクトルが同一平面上に存在しないように配置されていること、が好ましい。

【0014】

［６］本発明の温湿度計測装置においては、制御部をさらに有し、前記制御部は、前記送信部を制御して、周波数が２０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の音波を、時間間隔をおいて放射させること、が好ましい。

【0015】

［７］本発明の温湿度計測装置においては、前記制御部は、前記送信部を制御して、時間とともに周波数が変化するチャープ波を放射させること、が好ましい。

【0016】

［８］本発明の温湿度計測装置においては、前記測定部を回動させる回動部を有すること、が好ましい。

【0017】

［９］本発明の温湿度測定方法は、音波を放射する送信部と、第１の音波伝播路と、第１の受信部と、第２の音波伝播路と、第２の受信部と、を備える測定部と、を備える温湿度計測装置を用いる温湿度計測方法であって、前記第１の音波伝播路は、第１の回転楕円弧の内面の一部を構成する第１の反射面を備える第１の反射板を備え、前記第２の音波伝播路は、第２の回転楕円弧の内面の一部を構成する第２の反射面を備える第２の反射板を備え、前記送信部は、前記第１の回転楕円弧の第１の焦点及び前記第２の回転楕円弧の第１の焦点の位置に配置され、前記第１の受信部は、前記第１の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、前記第２の受信部は、前記第２の回転楕円弧の第２の焦点の位置に配置され、前記送信部から、前記第１の反射面及び前記第２の反射面に向けて音波を放射させる放射ステップと、前記放射ステップにおいて放射した音波を、前記第１の反射面又は前記第２の反射面で反射させる反射ステップと、前記反射ステップで反射した音波を、前記第１の受信部又は前記第２の受信部で受信する受信ステップと、前記第１の音波伝播路における音波の伝播時間及び／又は前記第２の音波伝播路における音波の伝播時間に基づいて仮温度を計算する仮温度計算ステップと、前記第１の音波伝播路における音波の減衰量及び前記第２の音波伝播路における音波の減衰量に基づいて湿度を計算する湿度計算ステップと、前記仮温度と前記湿度とに基づいて実温度を計算する実温度計算ステップと、を備える。

【発明の効果】

【0018】

本発明の温湿度計測装置、及び、温湿度測定方法は、音波伝播路において、回転楕円弧の一方の焦点の位置に配置された送信部から音波を放射し、回転楕円弧の一部を構成する反射面で音波を反射させ、回転楕円弧の他方の焦点の位置に配置された受信部で音波を受信する。

【0019】

このとき、反射面が回転楕円弧の一部を構成しているので、送信部から放射された音波は、どの向きに向かって放射された音波でも、反射面で反射して受信部の位置に集まり、受信部で受信することができる。これにより、送信部から送信した音波を受信部で直接受信する場合に比べ、効率よく音波を受信することができようになる。この結果、温湿度を計測する環境が良好でない場合であっても、信号を検出することが可能であり、温湿度を正確に測定することができる温湿度計測装置を提供すること、又は、温湿度を正確に測定することができる温湿度測定方法を提供することができる。

【0020】

さらに、本発明の温湿度計測装置、及び、温湿度測定方法は、第１の音波伝播路における音波の伝播距離と第２の音波伝播路における音波の伝播距離とが異なるように構成されている。これにより、第１の音波伝播路を伝播された音波の減衰量と第２の音波伝播路を伝播された音波の減衰量とが異なることになる。第１の音波伝播路を伝播された音波の減衰量と第２の音波伝播路を伝播された音波の減衰量とを比較することによって、温湿度計測装置が設置された場所の湿度、実温度を、計算することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】実施形態１に係る温湿度計測装置１００を説明するために示す斜視図である。

【図2】実施形態１に係る温湿度計測装置１００を説明するために示す図である。

【図3】実施形態１に係る温湿度計測装置１００を説明するために示すブロック図である。

【図4】実施形態１に係る温湿度計測装置１００の測定部１１０の測定原理を説明するために示す図である。

【図5】従来技術に係る温度測定装置９００を説明するために示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と記す。）を説明する。以下に記載する実施形態は、発明を実施するための好適な形態を示すものであって、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが、本発明に必須であるとは限らない。

【0023】

１．実施形態１（温湿度計測装置）
図１は、実施形態１に係る温湿度計測装置１００を説明するために示す斜視図である。図２は、実施形態１に係る温湿度計測装置１００を説明するために示す図である。図２（ａ）は、温湿度計測装置１００の正面図であり、図２（ｂ）は、温湿度計測装置１００の平面図である。図３は、実施形態１に係る温湿度計測装置１００を説明するために示すブロック図である。なお、図面において、符号の表示を省略することがある。

【0024】

実施形態１に係る温湿度計測装置１００は、図１及び図２に示すように、測定部１１０と、基台部３１０とを備える。測定部１１０は、送信部１５０、６つの音波伝播路である第１の音波伝播路１６１～第６の音波伝播路１６６、及び、６つの受信部である第１の受信部１８１～第６の受信部１８６を備える。なお、以後の説明において、第１の音波伝播路１６１～第６の音波伝播路１６６の全て又は一部を指して音波伝播路１６０と記すことがある。また、第１の受信部１８１～第６の受信部１８６全て又は一部を指して受信部１８０と記すことがある。

【0025】

温湿度計測装置１００は、制御部３２０及び演算部３３０を備える（図３参照）。制御部３２０及び演算部３３０は、基台部３１０の中に収容されていてもよい。

【0026】

１－１．測定部
１－１－１．音波伝播路
第１の音波伝播路１６１～第６の音波伝播路１６６は、それぞれ、第１の反射板２０１～第６の反射板２０６を備える。第１の反射板２０１～第６の反射板２０６は、それぞれ、音波２６０を反射させる、第１の反射面２２１～第６の反射面２２６を備える。第１の反射面２２１～第６の反射面２２６は、それぞれ、回転楕円弧の内面の一部を構成する。ここで、回転楕円弧とは、楕円の弧を、当該楕円の長軸又は短軸を回転軸として回転させたときに得られる立体で、それぞれ、楕円回転体２４１～２４６の外郭に相当する。なお、以後の説明において、第１の反射板２０１～第６の反射板２０６の全て又は一部を指して、反射板２００と記すことがある。また、第１の反射面２２１～第６の反射面２２６の全て又は一部を指して、反射面２２０と記すことがある。

【0027】

なお、図２（ａ）において、第３の音波伝播路１６３、第３の反射板２０３及び第３の受信部１８３は、第５の反射板２０５、第５の受信部１８５等の後方に存在するため、正面から視認することができない。このため、図２（ａ）においては、第３の音波伝播路１６３、第３の反射板２０３及び第３の受信部１８３の記載を省略している。

【0028】

実施形態１に係る温湿度計測装置１００は、第１の反射板２０１及び第２の反射板２０２が、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播距離と第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝播距離とが異なるように構成されている。かかる構成を採用することの効果については、後で説明する。

【0029】

反射板２００を構成する材料は、音波２６０を反射する材料であれば、制限なく使用することができる。反射板２００の材料として、金属、プラスチック、樹脂、等を例示することができる。温湿度計測装置１００を屋外に設置する場合には、温湿度計測装置１００が設置される場所における環境、材料の耐候性を考慮して、反射板２００の材料を選択することが好ましい。

【0030】

反射板２００の大きさは、特に制限はないが、例えば、音波伝播路１６０における音波２６０の伝播方向の長さが１０ｃｍ～２０ｃｍ程度である。また、音波２６０の伝播方向に垂直方向の長さ（幅）は、設置する反射板２００の枚数を考慮して適宜決定することができるが、例えば、１ｃｍ～４ｃｍ程度である。

【0031】

楕円回転体２４１は、２つの焦点（第１の焦点２４１ａ、第２の焦点２４１ｂ）を備える。また、楕円回転体２４２～２４６は、楕円回転体２４１と同様に、それぞれ、２つの焦点（第１の焦点２４２ａ～２４６ａ、第２の焦点２４２ｂ～２４６ｂ）を備える。

【0032】

第１の反射板２０１～第６の反射板２０６は、それぞれの第１の焦点２４１ａ～２４６ａの位置を共有するように配置されている。

【0033】

第１の反射板２０１～第６の反射板２０６の、それぞれの第１の焦点２４１ａ～２４６ａを共有する位置には、送信部１５０が配置されている。これにより、６つの音波伝播路１６０に、一つの送信部１５０によって、同時に、音波２６０を放射することができる。

【0034】

第１の反射板２０１～第６の反射板２０６の第２の焦点２４１ｂ～２４６ｂの位置には、それぞれ、第１の受信部１８１～第６の受信部１８６が配置されている。

【0035】

以下、反射面２２０が、回転楕円弧の内面の一部を構成することによる効果を説明する。ここでは、第１の音波伝播路１６１を例にとって説明する。

【0036】

図４は、実施形態１に係る温湿度計測装置１００の測定部１１０の測定原理を説明するために示す図である。図５は、従来技術に係る温度測定装置９００を説明するために示す図である。

【0037】

図４に示すように、第１の反射面２２１を構成する回転楕円弧の第１の焦点２４１ａの位置に送信部１５０が配置され、送信部１５０は、音波２６０を第１の反射面２２１に向けて放射する。音波２６０は第１の反射面２２１で反射し、第２の焦点２４１ｂの位置に配置した第１の受信部１８１において、受信される。

【0038】

このとき、第１の反射面２２１を回転楕円弧の内面の一部を構成する形状とすることにより、送信部１５０から放射された音波２６０は、どの向きに向かって放射された音波２６０であっても、第１の反射面２２１におけるいずれかの点で反射して、第２の焦点２４１ｂに到達する。これにより、送信部１５０から放射された音波２６０を、第１の受信部１８１において、効率よく受信することができる。

【0039】

従来技術に係る温度測定装置９００においては、図５に示すように、送信部９５１から放射された音波９７１のうち、受信部９６１に向かって進んだ音波しか、受信部９６１において受信することができなかった。しかし、実施形態１に係る温湿度計測装置１００においては、送信部１５０から放射された音波２６０は、どの向きに向かって放射された音波２６０であっても、反射面２２１が存在する領域に到達すれば、第１の反射面２２１で反射し、第１の受信部１８１に集まる。この結果、音波２６０の受信効率を格段に向上させることができる、という効果を奏する。

【0040】

さらに、第１の反射面２２１を回転楕円弧の内面の一部を構成する形状にすることにより、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播距離を、第１の反射面２２１における音波２６０の反射位置に関係なく、一定にすることができる。

【0041】

音波２６０の伝播距離とは、送信部１５０から放射された音波２６０が、第１の反射面２２１上の任意の点２４１ｃにおいて反射し、第１の受信部１８１で受信されるまでの伝播距離である。ここで、送信部１５０は、回転楕円弧の第１の焦点２４１ａの位置に配置され、第１の受信部１８１は、回転楕円弧の第２の焦点２４１ｂの位置に配置されている。また、第１の反射面２２１は、回転楕円弧の内面の一部を構成する。

【0042】

回転楕円弧の第１の焦点２４１ａから回転楕円弧の弧上の任意の点２４１ｃまでの距離と、当該点２４１ｃからの第２の焦点２４１ｂまでの距離との和は一定である。すなわち、音波２６０の伝播距離は、音波２６０が第１の反射面２２１で反射する位置に関係なく一定であるということができる。さらに、送信部１５０において、同時に放射された音波２６０は、第１の反射面２２１において音波２６０が反射する位置に関係なく、第１の受信部１８１に同時に到達することができる。

【0043】

第１の反射面２２１における音波２６０の反射位置によって音波２６０の伝播距離が異なる場合には、第１の受信部１８１で受信した信号を、音波２６０の伝播距離に応じて加工する処理が必要になる場合がある。しかし、実施形態１に係る温湿度計測装置１００においては、音波２６０が第１の反射面２２１において反射した位置に関係なく第１の受信部１８１に同時に到達するので、音波２６０が第１の反射面２２１において反射した位置を考慮することなく、第１の受信部１８１で受信した信号を以後の演算処理において使用することができる。

【0044】

１－１－２．送信部
送信部１５０は、音波２６０を放射する。また、送信部１５０は、反射面２２０における回転楕円弧の第１の焦点２４１ａ～２４６ａの位置に配置される。なお、上記したように、反射板２００は、それぞれの回転楕円弧の第１の焦点２４１ａ～２４６ａの位置を共有するように配置されているので、送信部１５０は、６つの反射板２０１～２０６の一方の焦点２４１ａ～２４６ａによって共有されている位置に配置されることになる。

【0045】

送信部１５０は、第１の反射面２２１～第６の反射面２２６に向かって音波２６０を放射する。
なお、本出願において「音波」とは、いわゆる広義の音波を意味し、対象が気体、液体、固体を問わず弾性体を伝播することができる、あらゆる弾性波の総称としての音波をさす。すなわち、人間や動物の可聴周波数の弾性波である狭義の音波に加え、人間の可聴周波数より高い周波数を有する弾性波である超音波を含む。音波は、例えば、周波数が１０，０００Ｈｚ以上５０，０００Ｈｚ以下の波長を有する弾性波であってもよい。なお、送信部１５０が放射する音波の波長は、送信部１５０における放射効率、受信部１８０における受信感度を考慮して決定してもよい。

【0046】

１－１－３．受信部
第１の受信部１８１～第６の受信部１８６は、送信部１５０から放射され、第１の反射面２２１～第６の反射面２２６で反射した音波２６０を、それぞれ、受信する。第１の受信部１８１～第６の受信部１８６は、第１の反射面２２１～第６の反射面２２６のそれぞれに備えられており、第１の反射板２０１～第６の反射板２０６における、それぞれの回転楕円弧の第２の焦点１４１ｃ～１４６ｃの位置に配置されている。

【0047】

送信部１５０及び受信部１８０は、図１に示すように、支持部材によって反射板２００に固定されている。送信部１５０及び受信部１８０は、１つの支持部材により支持されてもよく、２つ以上の支持部材により支持されてもよい。なお、図２においては、送信部１５０及び受信部１８０を支持する支持部材の表示を省略している。

【0048】

測定部１１０は、基台部３１０に載置されている。基台部３１０の構造及び形状に特段の制限はないが、温湿度計測装置１００を屋外に設置する場合には、温湿度計測装置１００が風雨に晒されたときにも、安定に機能することができる構造であることが好ましい。基台部は、測定部１１０を載置する載置台３１７と、回動部３１５（図３参照）とを備える。

【0049】

回動部３１５は、例えば、基台部３１０の内部に配置され、載置台３１７を回動させることにより、測定部１１０を回動軸Ｌ（図２参照）の周りに回動させる。回動部３１５として、例えばモーターを例示することができる。温湿度計測装置１００が回動部３１５を備えることにより、測定部１１０を任意の角度に回動させ、測定部１１０の向きを任意の向きに配置することができる。

【0050】

１－２．制御部
制御部３２０は、送信部１５０、受信部１８０、及び、演算部３３０を制御する。
すなわち、制御部３２０は、送信部１５０を制御して、送信部１５０から音波２６０を放射させる。制御部３２０は、受信部１８０を制御し、受信部１８０が受信した音波２６０に含まれる信号を、演算部３３０に送るよう制御する。制御部３２０は、演算部３３０を制御し、受信部１８０から送られてきた信号に基づいて、仮温度、湿度、及び、実温度を計算させる。

【0051】

さらに、制御部３２０は、送信部１５０を制御して送信部１５０から音波２６０を放射させるとき、音波２６０を、ある時間間隔をおいて放射させてもよい。ここで、「時間間隔をおいて」とは、仮温度、湿度、又は、実温度を測定、計算するために必要なときに、音波２６０を放射するという意味であり、仮温度、湿度、及び、実温度を測定、計算するために必要が無いときには、音波２６０を放射しないという意味である。これにより、仮温度等を測定するための電力を節約することができる。これは、温湿度計測装置１００を、外部から電力の供給を受けることができない山間地、離島等に設置する場合には、特に有効である。

【0052】

なお、音波２６０を放射する時間と、音波２６０を放射しない時間とは、それぞれ、所定の時間に設定してもよく、都度時間に設定してもよい。また、省電力という観点からは、音波２６０を放射しない時間を、音波２６０を放射する時間より長く設定することが好ましいが、音波２６０を放射する時間を、音波２６０を放射しない時間より長く設定しても、一定の効果を得ることはできる。

【0053】

また、送信部１５０が放射する音波２６０の周波数は、２０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下であることが好ましい。

【0054】

さらに、制御部３２０は、送信部１５０を制御して送信部１５０から音波２６０を放射させるとき、音波２６０として周波数が時間と共に変化するチャープ波を放射させてもよい。

【0055】

温湿度計測装置１００は、仮温度を測定するときに、送信部１５０からパルス波からなる音波２６０を放射させ、受信部１８０で受信させる。このとき、送信部１５０と受信部１８０との間で、音波２６０を音波伝播路１６０に伝播させ、送受信信号から伝播時間を測定する。受信信号は、送信部１５０や受信部１８０の特性、雑音の影響を受けるため、パルス信号の立ち上がりにより伝播時間を測定することは難しい。

【0056】

音波２６０の伝播時間を測定するとき、送信信号と受信信号の２つの信号が最も一致する時間を求める相互相関法を用いることが好ましい。相互関数法においては、時間ｔにおける送信信号ｓ１（ｔ）と受信信号ｓ２（ｔ）の相互相関関数ｘ（τ）について、相互相関数が最大ピークとなる時刻τを求める。

【0057】

ここで、送信部１５０が放射する送信信号として、周波数が時間とともに変化するチャープ信号を放射させることが好ましい。チャープ信号は、単なる正弦バースト信号に比べると、自己相関関数におけるピークが鋭いという特徴を有する。チャープ波を音波２６０の伝播時間を測定するために使用すると、雑音を抑えることができ、高い精度で伝播時間を測定することができる。

【0058】

制御部は、回動部３１５を制御して、測定部１１０の向きを回動させる。測定部１１０を回動させることにより、受信部１８０の感度の初期的なばらつき、経時的な感度の変化、反射板２００の汚れが原因となる感度のばらつき、等を校正することができる。

【0059】

受信部１８０の校正方法として、いくつかの方法が考えられるが、一例をあげると、測定部１１０を回動させることにより、所定の回動位置に、音波伝播路１６０を順番に配置する。このとき、音波２６０の伝播速度、減衰係数を計測し、他の音波伝播路１６０における計測結果と比較することにより、受信部１８０の校正をする方法を例示することができる。

【0060】

１－３．演算部
演算部３３０は、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播時間に基づいて仮温度を計算することが好ましい。また、演算部３３０は、第２の音波伝播路１６２における音波の伝播時間に基づいて仮温度を計算することが好ましい。さらに、演算部３３０は、第１の音波伝播路１６１における音波の伝播時間、及び、第２の音波伝播路１６２における音波の伝播時間に基づいて仮温度を計算することが好ましい。

【0061】

ここで「仮温度」とは、湿潤気体について、同じ圧力、同じ密度を持つ乾燥空気の温度のことをいう。また、「実温度」とは、湿潤気体、乾燥気体を問わず、その気体が有する実際の温度のことをいう。

【0062】

仮温度は、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播距離と第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播時間とから、音波２６０の伝搬速度を計算し、例えば以下に示す乾燥空気における気温と音速の関係式を使って、仮温度を計算することができる。音波２６０の伝播時間は、送信部１５０が音波２６０を放射した時刻と、第１の受信部１８１が音波２６０を受信した時刻との時間差である。

【数1】

ここで音速Ｃ’_ｔｈは、湿度０％ＲＨの乾燥空気における音速、Ｔは、実温度、Ｔ_０は、基準温度（２９３．１５Ｋ）、Ｃ_０は、基準温度における音速であり、下式で表され定数である。

【数2】

ここで、γａは、比熱比（１．４１３）、Ｒは、気体定数（＝８．３１４）、μは、媒質分子１ｍｏｌ当たりの質量（２．８９６×１０^－２）である。

【0063】

または、第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝播距離と第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝播時間とから、音波２６０の伝搬速度を計算し、仮温度を計算してもよい。

【0064】

演算部２１６は、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の減衰量と第２の音波伝播路１６２における音波２６０の減衰量とを比較し、湿度を計算することが好ましい。具体的には、音波２６０が空気中を伝播するとき、空気の吸音性によって、音波２６０の振幅は伝搬距離に対して指数関数的に減衰する。このときの空気中における音波２６０の減衰は、空気の物性値である減衰係数により決定することができる。

【0065】

ここで、第１の音波伝播路１６１と第２の音波伝播路とは、同一の環境下に設置されていることから、減衰係数と湿度とは一意に対応する。湿度は、減衰係数から公知の方法により求めることができる。例えば、減衰係数と湿度との関係を測定しておき、測定により求めた減衰係数を、減衰係数と湿度との関係に適用することにより、計算することができる。あるいは、減衰係数と湿度との関係を表す関係式を求め、かかる関係式に減衰係数を適用することにより、湿度を求めることができる。

【0066】

演算部２１６は、仮温度及び湿度に基づいて、実温度を計算することが好ましい。例えば、実温度は、以下に示す計算式により計算することができる。
Ｔ＝Ｔｖ／（１＋０．６１ｗ）
ただし、Ｔは実温度、Ｔｖは仮温度、ｗは水蒸気の混合比である。

【0067】

上記した説明においては、第１の音波伝播路１６１～第６の音波伝播路１６６のうち、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝搬距離と第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝搬距離とが異なるように、第１の反射板２０１及び第２の反射板２０２が構成されている場合について説明した。しかし、第１の音波伝播路１６１～第６の音波伝播路１６６のうち、音波伝播路１６０における音波２６０の伝播距離が異なるように構成される反射板２００は、第１の反射板２０１と第２の反射板２０２の２つであるの場合に限定されない。すなわち、第１の音波伝播路１６１～第６の音波伝播路１６６から選択される任意の３個、又は、任意の３個以上の音波伝播路１６０において、音波２６０の伝播距離が各々異なるように構成されていてもよい。

【0068】

例えば、図１及び図２に示す温湿度計測装置１００は、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝搬距離は、第２の音波伝播路１６２～第６の音波伝播路１６６における音波２６０における音波２６０の伝播距離より長くなるように構成されている。また、第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝播距離は、第３の音波伝播路１６３～第６の音波伝播路１６６における音波２６０の音波伝播距離より長くなるように構成されている。第３の音波伝播路１６３～第６の音波伝播路１６６における音波２６０の音波伝播距離は同じ長さになるように構成されている。

【0069】

すなわち、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝搬距離は、第２の音波伝播路１６２における音波２６０における音波２６０の伝播距離と異なるように構成され、第３の音波伝播路１６３における音波２６０の伝播距離は、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝搬距離、及び、第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝搬距離とは異なる距離に構成されている。

【0070】

これにより、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播時間及び減衰量と第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝播時間及び減衰量とから湿度及び実温度を計算することができる。また、第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝播時間及び減衰量と第３の音波伝播路１６３における音波２６０の伝播時間及び減衰量とから湿度及び実温度を計算することができる。さらに、第３の音波伝播路１６３における音波２６０の伝播時間及び減衰量と第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播時間及び減衰量とから湿度及び実温度を計算することができる。それぞれの音波伝播路１６０の組み合わせから得られた湿度及び実温度の結果を比較し、補正を行うことによって、測定誤差を小さくすることができる。

【0071】

実施形態１に係る温湿度計測装置によれば、反射面２２０が回転楕円弧の一部を構成しているので、送信部１５０から放射された音波２６０は、どの向きに向かって放射された音波でも、反射面２２０で反射して受信部１８０の位置に集まり、受信部１８０で受信することができる。これにより、送信部１５０から送信した音波２６０を受信部で直接受信する場合に比べ、効率よく音波２６０を受信することができる。この結果、温湿度を計測する環境が良好でない場合であっても、信号を検出することが可能であり、温湿度を正確に測定することができるようになる。

【0072】

さらに、実施形態１に係る温湿度計測装置によれば、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播距離と第２の音波伝播路１６２における音波の伝播距離とが異なるように構成されている。これにより、第１の音波伝播路１６１を伝播された音波２６０の減衰量と第２の音波伝播路１６２を伝播された音波２６０の減衰量とが異なることになる。第１の音波伝播路１６１を伝播された音波の減衰量と第２の音波伝播路１６２を伝播された音波の減衰量とを比較することによって、温湿度計測装置が設置された場所の湿度、実温度を、計算することができる。

【0073】

１－４．温湿度計測方法
次に、実施形態１に係る温湿度計測方法について説明する。
温湿度計測方法は、音波２６０を放射する送信部１５０と、第１の音波伝播路１６１と、第１の受信部１８１と、第２の音波伝播路１６２と、第２の受信部１８２と、を備える測定部１１０と、を備える温湿度計測装置１００を用いる。

【0074】

第１の音波伝播路１６１は、第１の回転楕円弧の内面の一部を構成する第１の反射面２２１を備える第１の反射板２０１を備え、第２の音波伝播路１６２は、第２の回転楕円弧の内面の一部を構成する第２の反射面２２２を備える第２の反射板２０２を備える。送信部１５０は、第１の回転楕円弧の第１の焦点２４１ａ及び第２の回転楕円弧の第１の焦点２４２ａの位置に配置されている。第１の受信部１８１は、第１の回転楕円弧の第２の焦点２４１ｂの位置に配置され、第２の受信部１８２は、第２の回転楕円弧の第２の焦点２４２ｂの位置に配置されている。

【0075】

温湿度計測方法は、放射ステップと、反射ステップと、受信ステップと、仮温度計算ステップと、湿度計算ステップと、実温度計算ステップとを備える。

【0076】

放射ステップは、送信部１５０から、第１の反射面２２１及び第２の反射面２２２に向けて音波２６０を放射させるステップである。反射ステップは、放射ステップにおいて放射した音波２６０を、第１の反射面２２１又は第２の反射面２２２で反射させるステップである。受信ステップは、反射ステップで反射した音波２６０を、第１の受信部１８１又は第２の受信部１８２で受信するステップである。

【0077】

仮温度計算ステップは、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の伝播時間及び／又は第２の音波伝播路１６２における音波２６０の伝播時間に基づいて仮温度を計算するステップである。

【0078】

湿度計算ステップは、第１の音波伝播路１６１における音波２６０の減衰量及び第２の音波伝播路１６２における音波２６０の減衰量に基づいて湿度を計算するステップである。

【0079】

実温度計算ステップは、仮温度と湿度とに基づいて実温度を計算するステップである。

【0080】

実施形態１に係る温湿度計測方法によれば、反射面２２０が回転楕円弧の一部を構成しているので、送信部１５０から放射された音波２６０は、どの向きに向かって放射された音波でも、反射面２２０で反射して受信部１８０の位置に集まり、受信部１８０で受信することができる。これにより、送信部１５０から送信した音波２６０を受信部で直接受信する場合に比べ、効率よく音波２６０を受信することができる。この結果、温湿度を計測する環境が良好でない場合であっても、信号を検出することが可能であり、温湿度を正確に測定することができるようになる。

【0081】

２．温湿度計測装置（実施形態２）
次に、実施形態２に係る温湿度計測装置１０５について説明する。実施形態２に係る温湿度計測装置１０５は、実施形態１の温湿度計測装置１００の機能に加え、風向及び風速を測定することができる。なお、実施形態２の温湿度計測装置１０５は、すでに説明した実施形態１に係る温湿度計測装置１００と同じ構造により実現することができることから、実施形態１の説明で使用した図１～図３を使用して説明する。また、実施形態１と説明が重複する場合は、適宜説明を省略する。

【0082】

実施形態２に係る温湿度計測装置１０５は、図１～図３に示すように、測定部１１０と基台部３１０とを備える。測定部１１０は、送信部１５０と、第１の音波伝播路１６１～第６の音波伝播路１６６と、第１の受信部１８１～第６の受信部１８６とを備える。第１の音波伝播路１６１～第６の音波伝播路１６６は、それぞれ、第１の反射板２０１～第６の反射板２０６を備える。第１の反射板２０１～第６の反射板２０６は、それぞれ、回転楕円弧の内面の一部を構成し、音波２６０を反射させる第１の反射面２２１～第６の反射面２２６を備える。

【0083】

温湿度計測装置１０５は、第１の反射板２０１～第４の反射板２０４の中から任意の３つの反射板２００を選択したときに、選択可能な３つの反射板２００のすべての組み合わせにおいて、３つの反射板２００は、それぞれの音波伝播路１６０における音波２６０の伝播方向を示す方向ベクトルが同一平面上に存在しないように配置されている。

【0084】

第１の反射板２０１～第４の反射板２０４の４つの反射板の中から任意の３つの反射板２００を選択する選択方法として、４つの選択肢がある。第１の反射板２０１～第４の反射板２０４は、この４つの組み合わせ全てについて、選択された３つの反射板２００が、それぞれの音波伝播路１６０における音波２６０の伝播方向を示す方向ベクトルが同一平面上に存在しないように配置されている。すなわち、選択された３つの反射板２００は、それぞれの音波伝播路１６０における音波２６０の伝播方向を示す方向ベクトルを有する。ここで、３つの反射板２００がそれぞれ有するベクトルが、同一平面上には存在しないという意味である。

【0085】

かかる構成を採用することにより、音波２６０の伝播方向が異なる音波伝播路１６０を伝播する音波２６０の伝播速度を測定することが可能になる。温湿度計測装置１０５を設置した場所に風が吹いている場合、音波伝播路１６０を伝播する音波２６０の伝播速度は、温湿度計測装置１０５が設置された場所に吹いている風向及び風速の影響を受ける。

【0086】

具体的には、温湿度計測装置１０５を設置した場所における風が、音波２６０の伝播方向に対して追い風に当たる場合は、音波２６０の伝播速度は大きくなり、向かい風に当たる場合は、音波２６０の伝播速度２６０は小さくなる。音波２６０の伝播方向が異なる３つの音波伝播路１６０について、音波２６０の伝播速度を測定することにより、温湿度計測装置１０５が設置された場所の、風向及び風速を計測することができる。

【0087】

なお、音波２６０の伝播時間の測定結果から風向及び風速を計算する方法は、公知の方法によることができる。

【0088】

ここで、風向及び風速は、３次元空間中で任意の向きと大きさを持つことができるから、３変数のベクトルとして取り扱う必要がある。そのため、温湿度計測装置１０５は、それぞれの音波伝播路１６０が立体的な３次元形状をしている。また、選択した３つの反射板２００は、音波伝播路１６０における音波２６０の伝播方向のベクトルが同一平面内にないように配置されている必要がある。

【0089】

温湿度計測装置１０５は、４つの反射板２００の中から任意の３つの反射板２００を選択し、選択した３つの反射板２００は、それぞれの音波伝播路１６０における前記音波の伝播方向を示す方向ベクトルが同一平面上に存在しないように配置されている。これにより、風向風速ベクトルを表す３変数を、計算により求めることができる。

【0090】

さらに、選択可能な３つの反射板２００の全ての組み合わせにおいて、それぞれの音波伝播路における前記音波の伝播方向を示す方向ベクトルが同一平面上に存在しないように配置されているという条件を満たす。これにより、反射板２００の組み合わせごとに風向及び風速を計測することができる。また、組み合わせごとに計測した風向及び風速を互いに補正することにより、誤差を軽減し、高い精度で風向及び風速を計測することが可能になる。

【0091】

また、実施形態２に係る温湿度計測装置１０５は、温湿度計測装置１０５を設置した場所に風が吹いている場合に、仮温度、湿度及び実温度を計測するとき、風向及び風速を考慮して、仮温度、湿度及び実温度の計測精度を高めることができる。

【0092】

すなわち、上記した実施形態１に係る温湿度計測装置１００においては、温湿度計測装置１００を設置した場所に風が吹いている場合に、仮温度、湿度及び実温度を正確に計測できない場合がある。例えば、実施形態１に係る温湿度計測装置１００により仮温度を測定する場合に、風の影響を考慮して、仮温度を計測することはできない。

【0093】

一方、実施形態２の温湿度計測装置１０５は、温湿度計測装置１０５が設置された場所に風が吹いている場合であっても、風向及び風速を測定することができるので、風の影響を考慮して、仮温度、湿度及び実温度を補正することができる。この結果、高い精度で仮温度、湿度及び実温度を計測することができる。

【0094】

実施形態２に係る温湿度計測装置１０５は、実施形態１に係る温湿度計測装置１００が奏する効果に加え、温湿度計測装置１０５が設置された場所の、風向及び風速を計測することができる。さらに、温湿度計測装置１０５が設置された場所に風が吹いている場合であっても、風の影響を考慮して、仮温度、湿度及び実温度を高い精度で計測することができる。

【符号の説明】

【0095】

１００…温湿度計測装置、１０５…温湿度計測装置、１１０…測定部、１５０…送信部、１６０…音波伝播路、１６１…第１の音波伝播路、１６２…第２の音波伝播路、１６３…第３の音波伝播路、１６４…第４の音波伝播路、１６５…第５の音波伝播路、１６６…第６の音波伝播路、１８０…受信部、１８１…第１の受信部、１８２…第２の受信部、１８３…第３の受信部、１８４…第４の受信部、１８５…第５の受信部、１８６…第６の受信部、２０１…第１の反射板、２０２…第２の反射板、２０３…第３の反射板、２０４…第４の反射板、２０５…第５の反射板、２０６…第６の反射板、２２０…反射面、２２１…第１の反射面、２２２…第２の反射面、２２３…第３の反射面、２２４…第４の反射面、２２５…第５の反射面、２２６…第６の反射面、２４１，２４２，２４３，２４４，２４５，２４６…楕円回転体、２４１ａ，２４２ａ，２４３ａ，２４４ａ，２４５ａ，２４６ａ…楕円回転体の第１の焦点、２４１ｂ，２４２ｂ，２４３ｂ，２４４ｂ，２４５ｂ，２４６ｂ…楕円回転体の第２の焦点、２６０…音波、３１０…基台部、３１５…回動部、３１７‥載置台、３２０…制御部、３３０…演算部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】