知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-29
(45)【発行日】2022-12-07
(54)【発明の名称】流体制御システム
(51)【国際特許分類】
G01P 5/26 20060101AFI20221130BHJP
G01F 1/661 20220101ALI20221130BHJP
G01F 1/663 20220101ALI20221130BHJP
【ＦＩ】
G01P5/26 A
G01F1/661
G01F1/663
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2018195193
(22)【出願日】2018-10-16
(65)【公開番号】P2020063954
(43)【公開日】2020-04-23
【審査請求日】2021-08-04
(73)【特許権者】
【識別番号】503361400
【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】110003339
【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100104215
【弁理士】
【氏名又は名称】大森 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100196575
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 満
(74)【代理人】
【識別番号】100168181
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 哲平
(74)【代理人】
【識別番号】100117330
【弁理士】
【氏名又は名称】折居 章
(74)【代理人】
【識別番号】100160989
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 正好
(74)【代理人】
【識別番号】100168745
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 彩子
(74)【代理人】
【識別番号】100176131
【弁理士】
【氏名又は名称】金山 慎太郎
(74)【代理人】
【識別番号】100197398
【弁理士】
【氏名又は名称】千葉 絢子
(74)【代理人】
【識別番号】100197619
【弁理士】
【氏名又は名称】白鹿 智久
(72)【発明者】
【氏名】市川 賀康
(72)【発明者】
【氏名】小池 俊輔
(72)【発明者】
【氏名】中北 和之
【審査官】岡田 卓弥
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－２２２７１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平２－１２０６６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第４９９７２７２（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｐ ５／００－ ５／２６
Ｇ０１Ｆ １／００－ ９／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
航空機の翼の所定の位置に配置され、前記翼の表面上を流れる流体に運動量を付加することで当該流体の流れに影響を与える影響付与部と、２本のレーザ光を出射する出射部と、電圧制御で焦点距離を制御可能な液体レンズからなり、前記出射部より出射された２本のレーザ光を交差させる可変焦点レンズ系と、計測対象である流体中を流れる粒子が前記２本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光を観察するための観察部とを有し、前記出射部より出射された２本のレーザ光が交差する領域が前記影響付与部より上流又は下流の前記翼の表面上に位置するように、前記翼内に埋め込まれた流速計測装置と、
前記流速計測装置より、時系列的に前記２本のレーザ光が交差する領域で生じる粒子の散乱光の光信号を取得し、その信号に基づいて、前記翼の表面上における流れの剥離の抑制を行うように、前記影響付与部により流体に付加される運動量を制御して前記翼の表面上の流れをリアルタイムに制御する制御部と
を具備する流体制御システム。
【請求項2】
前記出射部が、レーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより分岐された一方のレーザ光を反射するプリズムとを有し、前記レーザ光源から出射したレーザ光を、前記ビームスプリッタ及び前記プリズムを介して前記２本のレーザ光に分岐して出射する請求項１に記載の流体制御システム。
【請求項3】
前記観察部が、前記可変焦点レンズ系を介した前記散乱光を集光する集光レンズと、集光レンズの焦点位置に受光口が位置し、前記受光口を介して前記散乱光を受光するフォトディテクタを有する請求項１又は２に記載の流体制御システム。
【請求項4】
前記散乱光の周波数に基づき前記流体の流速を推定する演算部を更に具備する請求項１、２又は３に記載の流体制御システム。
【請求項5】
輸送機器の所定の位置に配置され、前記輸送機器の表面上を流れる流体に運動量を付加することで当該流体の流れに影響を与える影響付与部と、
２本のレーザ光を出射する出射部と、電圧制御で焦点距離を制御可能な液体レンズからなり、前記出射部より出射された２本のレーザ光を交差させる可変焦点レンズ系と、計測対象である流体中を流れる粒子が前記２本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光を観察するための観察部とを有し、前記出射部より出射された２本のレーザ光が交差する領域が前記影響付与部より上流又は下流の前記輸送機器の表面上に位置するように、前記輸送機器内に埋め込まれた流速計測装置と、
前記流速計測装置より、時系列的に前記２本のレーザ光が交差する領域で生じる粒子の散乱光の光信号を取得し、その信号に基づいて、前記輸送機器の表面上における流れの剥離の抑制を行うように、前記影響付与部により流体に付加される運動量を制御して前記輸送機器の表面上の流れをリアルタイムに制御する制御部と
を具備する流体制御システム。
【請求項6】
前記輸送機器は、自動車又は鉄道である
請求項５に記載の流体制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流速計測装置、流速分布計測システム、流体制御システム及び流速計測方法に関する。
【背景技術】
【0002】
気体や液体などの流体中を流れる微小な粒子が、２本のレーザ光が交差した領域で形成される干渉縞を通過する際、散乱光が生じる。この散乱光の周波数は、光のドップラー効果により元のレーザ光の周波数に対して変位が生じている。周波数の変位は粒子の通過速度に比例することが知られており、散乱光の周波数をフォトディテクタ（フォトダイオード）等に代表される受光素子を通じて光信号を電気信号に変換し、オシロスコープやデータ収集用ボードを使用して取得すれば、粒子の速度を推定可能になる。
これがレーザドップラー流速計（ＬＤＶ：Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）を使用した速度計測の原理である。ＬＤＶは光を使用する方法であるため、高い時間分解能を持つ計測方法であり、絶対校正が不要という特徴を持つ。また、計測対象とする流路や風路内にセンサ等を挿入することなく、光のみを照射して速度を取得できるため、非侵襲(非接触)な計測方法である。
以上の特徴から、ＬＤＶは、自動車や鉄道等の輸送機器周りの大規模スケール流れ場から、micro-total analysis systems (μTAS)やlab-on-a-chipに代表される生物化学分析用のマイクロチップ内における微小なスケールの流れ場まで、幅広いスケールの流れ場における速度計測に使用されている、代表的な速度計測方法の１つである。
これがレーザドップラー流速計（ＬＤＶ：Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）を使用した速度計測の原理である。ＬＤＶは光を使用する方法であるため、高い時間分解能を持つ計測方法であり、絶対校正が不要という特徴を持つ。また、計測対象とする流路や風路内にセンサ等を挿入することなく、光のみを照射して速度を取得できるため、非侵襲(非接触)な計測方法である。
以上の特徴から、ＬＤＶは、自動車や鉄道等の輸送機器周りの大規模スケール流れ場から、micro-total analysis systems (μTAS)やlab-on-a-chipに代表される生物化学分析用のマイクロチップ内における微小なスケールの流れ場まで、幅広いスケールの流れ場における速度計測に使用されている、代表的な速度計測方法の１つである。
【0003】
通常、ＬＤＶの装置としては、レーザ光を流路に向けて照射する照射プローブと、散乱光を受光するための受光素子を組み込んだプローブの、２つのプローブで構成されるものが多い。また、照射プローブ中に受光素子を組込み、１つのプローブでレーザ光照射からデータ取得まで行うものも開発されている。
【0004】
一方、ＬＤＶは２本のレーザ光が交差する領域のみにおいて速度を計測する方法(点計測)であるため、流れ場に関して取得できる情報量が少ない。
計測対象とする流れ場において、流れ方向や高さ方向、そして奥行き方向における速度など、速度を分布として取得するためには、装置を機械的に走査(トラバース)させる必要がある。
また、２本のレーザは、照射プローブのレーザ照射口に取り付けられたレンズにより集光され、交差する。そのため、この交差位置もレンズの焦点距離によって決定され、装置によっては照射口から交差位置までの距離（作動距離）が非常に大きくなってしまうものもある。
更に、計測対象によっては装置そのもののトラバース量や作動距離を考慮する必要があり、装置の設置空間の自由度が制限されてしまうこと、そして、それに伴って適用先とする計測対象が限定されてしまうという課題があった。
計測対象とする流れ場において、流れ方向や高さ方向、そして奥行き方向における速度など、速度を分布として取得するためには、装置を機械的に走査(トラバース)させる必要がある。
また、２本のレーザは、照射プローブのレーザ照射口に取り付けられたレンズにより集光され、交差する。そのため、この交差位置もレンズの焦点距離によって決定され、装置によっては照射口から交差位置までの距離（作動距離）が非常に大きくなってしまうものもある。
更に、計測対象によっては装置そのもののトラバース量や作動距離を考慮する必要があり、装置の設置空間の自由度が制限されてしまうこと、そして、それに伴って適用先とする計測対象が限定されてしまうという課題があった。
【0005】
奥行き方向に対してプローブをトラバースさせることなく、ＬＤＶによって流れ場における奥行き方向の速度分布を取得可能な技術は、例えば非特許文献１及び非特許文献２などに開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【文献】"Monochromatic heterodyne fiber-optic profile sensor for spatially resolved velocity measurements with frequency division multiplexing", Applied Optics, 44(13), pp. 2501-2510, 2005.
【文献】"Axial scanning laser Doppler velocimeter using wavelength change without moving mechanism in sensor probe", Optics Express, 19(7), pp. 5960-5969, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
これらの文献には、非常に高価な音響光学素子等の装置を複数使用し、複数のレーザ光の周波数とその通過位置を適切に調整しないといけないことや（非特許文献１)、複数の回折格子から生じる回折光のうち、適切な光を選択的に交差させるため、光学系を厳密に調整しないといけないこと（非特許文献２）などが記載されている。
そのため、特殊な装置を使用しないといけないだけでなく、レーザ光の位置調整等には非常に熟練した技術が必要であり、誰でも簡単に扱える装置や技術になっているとは言い難い。
そのため、特殊な装置を使用しないといけないだけでなく、レーザ光の位置調整等には非常に熟練した技術が必要であり、誰でも簡単に扱える装置や技術になっているとは言い難い。
【0008】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、簡単な構成で、しかも取り扱いも容易で、奥行き方向に対してプローブをトラバースさせることなく、流れ場における奥行き方向の速度分布を取得できる流速計測装置、流速分布計測システム、流体制御システム及び流速計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る流速計測装置は、２本のレーザ光を出射する出射部と、焦点距離を変化でき、前記出射部より出射された２本のレーザ光を交差させる可変焦点レンズ系と、計測対象である流体中を流れる粒子が前記２本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光を観察するための観察部とを有する。
【0010】
本発明の一形態に係る流速分布計測システムは、壁近傍の流体の流速分布を計測する流速分布計測システムである。このシステムは、上記構成の流速計測装置を、前記出射部より出射された２本のレーザ光が交差する領域が前記壁近傍に位置するように、前記壁内に埋め込んで構成される。
【0011】
本発明の一形態に係る流体制御システムは、影響付与部と、上記構成の流速計測装置と、制御部とを有する。影響付与部は、壁近傍を流れる流体に当該流体の流れに影響を与える。流速計測装置は、前記出射部より出射された２本のレーザ光が交差する領域が前記壁近傍に位置するように、前記影響付与部の周囲で前記壁内に埋め込まれて構成される。制御部は、前記流速計測装置により計測された流体の流速に基づき、前記影響付与部による前記流体の流れに与える影響を制御する。
【0012】
本発明の一形態に係る流速計測方法は、２本のレーザ光を出射し、焦点距離を変化できる可変焦点レンズ系を介して前記出射された２本のレーザ光を交差させ、計測対象である流体中に存在する粒子が、前記２本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過したときに生じる散乱光を観察する。
【発明の効果】
【0013】
本発明により、簡単な構成で、しかも取り扱いも容易で、奥行き方向に対してプローブをトラバースさせることなく、流れ場における奥行き方向の速度分布を取得できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の一実施形態に係る流速計測装置１の概略構成を示すブロック図である。
【図2】本実施形態に係る出射部１０、可変焦点レンズ系２０及び観察部３０の具体的な構成の一例を示す図である。
【図3A】レーザドップラー流速計の原理を説明するための概略的斜視図である。
【図3B】レーザドップラー流速計の原理を説明するための概略的正面図である。
【図4】液体レンズ２１の作用を説明するための図である。
【図5】焦点距離の変化に対する空間分解能の変化を説明するための図（その１）である。
【図6】焦点距離の変化に対する空間分解能の変化を説明するための図（その２）である。
【図7】焦点距離の変化に対する空間分解能の変化の一例を示すグラフである。
【図8】本発明の他の実施形態に係る流速分布計測システム１００の構成を示す概略図である。
【図9】壁からの距離と流速との関係を示すグラフである。
【図10】本発明の更に別の実施形態に係る流体制御システム２００の構成を示す概略図である。
【図11】航空機の母翼３０１及び母翼３０１に対して展開可能に設けられるフラップ３０２の概略的斜視図を示している。
【図12】本実施形態に係る流速計測装置の応用例を説明するための図であり、液体レンズ２１を通して出射部及び観察部をみた状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【0016】
＜一実施形態に係る流速計測装置＞
図１は本発明の一実施形態に係る流速計測装置１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、流速計測装置１は、出射部１０及び可変焦点レンズ系２０を含むプローブ２と、観察部３０と、制御部４０からその主要部が構成され、流れ場Ｆｆにおける奥行き方向Ｄｄの流速分布Ｖｐを取得するものである。なお、本実施形態に係る流速計測装置１のプローブ２は、照光プローブと受光プローブとを共用するが、本発明はこれに限定されず、照光プローブと受光プローブがそれぞれ別であってもよい。
出射部１０は、奥行き方向Ｄｄと直交する方向に所定の間隔をおいて、平行に２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射する。２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、典型的には同一光源で周波数及び位相が等しい。
図１は本発明の一実施形態に係る流速計測装置１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、流速計測装置１は、出射部１０及び可変焦点レンズ系２０を含むプローブ２と、観察部３０と、制御部４０からその主要部が構成され、流れ場Ｆｆにおける奥行き方向Ｄｄの流速分布Ｖｐを取得するものである。なお、本実施形態に係る流速計測装置１のプローブ２は、照光プローブと受光プローブとを共用するが、本発明はこれに限定されず、照光プローブと受光プローブがそれぞれ別であってもよい。
出射部１０は、奥行き方向Ｄｄと直交する方向に所定の間隔をおいて、平行に２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射する。２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、典型的には同一光源で周波数及び位相が等しい。
【0017】
可変焦点レンズ系２０は、焦点距離ｆを変化でき、出射部１０より出射された２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を焦点距離ｆで交差させる。可変焦点レンズ系２０は、バリフォーカルレンズとも言い、典型的には、電圧制御で焦点距離を制御可能な液体レンズである。なお、本実施形態に係る可変焦点レンズ系２０は、焦点距離ｆを変化できる光学系であれば、液体レンズ以外であっても構わない。例えば、可変焦点レンズ系２０は、複数のレンズにより構成し、その一部を光軸に沿って移動することで、連続して焦点距離を変化するようにした光学系でもよい。
観察部３０は、計測対象である流体中の粒子Ｐ、典型的には粒子が２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差する領域、つまり焦点距離ｆの領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光Ｌｓを、可変焦点レンズ系２０を介して観察するためのものである。
制御部４０は、演算部として機能し、観察部３０により観察された散乱光Ｌｓの周波数に基づき流体の流速を推定する。また、制御部４０は、出射部１０、可変焦点レンズ系２０及び観察部３０の動作を制御する。例えば、制御部４０は、出射部１０よりレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射するように制御し、可変焦点レンズ系２０を電気的に制御して可変焦点レンズ系２０の焦点距離を制御し、観察部３０より散乱光Ｌｓを受光するように制御する。制御部４０は、典型的には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）によって構成することができる。
観察部３０は、計測対象である流体中の粒子Ｐ、典型的には粒子が２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差する領域、つまり焦点距離ｆの領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光Ｌｓを、可変焦点レンズ系２０を介して観察するためのものである。
制御部４０は、演算部として機能し、観察部３０により観察された散乱光Ｌｓの周波数に基づき流体の流速を推定する。また、制御部４０は、出射部１０、可変焦点レンズ系２０及び観察部３０の動作を制御する。例えば、制御部４０は、出射部１０よりレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射するように制御し、可変焦点レンズ系２０を電気的に制御して可変焦点レンズ系２０の焦点距離を制御し、観察部３０より散乱光Ｌｓを受光するように制御する。制御部４０は、典型的には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）によって構成することができる。
【0018】
図２は本実施形態に係る出射部１０、可変焦点レンズ系２０及び観察部３０の具体的な構成の一例を示す図である。なお、本実施形態に係る流速計測装置１は、この構成に限定されるものではない。
図２において、符号１１は半導体レーザなどのレーザ光源、符号１２はレーザ光源１１からのレーザ光Ｌを分岐するビームスプリッタ、符号１３はビームスプリッタ１２により分岐された一方のレーザ光Ｌ２を反射するプリズムである。なお、プリズムに代えミラーを用いてもよい。出射部１０は、これらレーザ光源１１、ビームスプリッタ１２、プリズム１３から構成され、レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌを、ビームスプリッタ１２及びプリズム１３を介して２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２に分岐して出射する。レーザ光源１１が発光するレーザ光の周波数は、特に限定されない。
符号２１は液体レンズであり、本実施形態に係る流速計測装置１では、可変焦点レンズ系２０はこの液体レンズ２１により構成される。液体レンズ２１の焦点距離ｆは、上記したように制御部４０（図１参照）を使用して電圧制御により制御される。
符号３１は液体レンズ２１を介した散乱光Ｌｓを集光する集光レンズ、符号３２は液体レンズ２１の焦点位置に受光口が位置する光ファイバ、３３は光ファイバ３２を介して散乱光Ｌｓを受光するフォトディテクタである。本実施形態に係る流速計測装置１では、観察部３０は、少なくとも、これら集光レンズ３１、光ファイバ３２及びフォトディテクタ３３により構成される。
図２において、符号１１は半導体レーザなどのレーザ光源、符号１２はレーザ光源１１からのレーザ光Ｌを分岐するビームスプリッタ、符号１３はビームスプリッタ１２により分岐された一方のレーザ光Ｌ２を反射するプリズムである。なお、プリズムに代えミラーを用いてもよい。出射部１０は、これらレーザ光源１１、ビームスプリッタ１２、プリズム１３から構成され、レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌを、ビームスプリッタ１２及びプリズム１３を介して２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２に分岐して出射する。レーザ光源１１が発光するレーザ光の周波数は、特に限定されない。
符号２１は液体レンズであり、本実施形態に係る流速計測装置１では、可変焦点レンズ系２０はこの液体レンズ２１により構成される。液体レンズ２１の焦点距離ｆは、上記したように制御部４０（図１参照）を使用して電圧制御により制御される。
符号３１は液体レンズ２１を介した散乱光Ｌｓを集光する集光レンズ、符号３２は液体レンズ２１の焦点位置に受光口が位置する光ファイバ、３３は光ファイバ３２を介して散乱光Ｌｓを受光するフォトディテクタである。本実施形態に係る流速計測装置１では、観察部３０は、少なくとも、これら集光レンズ３１、光ファイバ３２及びフォトディテクタ３３により構成される。
【0019】
このように構成された流速計測装置１は、レーザドップラー流速計（ＬＤＶ：Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）として機能する。このレーザドップラー流速計の原理を図３Ａ及び図３Ｂに基づき簡単に説明する。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２の干渉によって生じる干渉縞Ｆｒを、流れ場Ｆｆ中の粒子Ｐが通過する際に、干渉縞の明暗に対応した散乱光Ｌｓが生じる。このとき、光のドップラー効果によって散乱光Ｌｓに強弱が生じる。散乱光Ｌｓの光信号を観察部３０のフォトディテクタ３３で電気信号に変換し、制御部４０において干渉縞通過時の周波数を得る。この方法は光を使用するため、光信号が発せられた瞬間の信号を取得できる。そのため、時間分解能が高い。
粒子Ｐの流速Ｕは、ドップラー周波数ｆｄｐと干渉縞Ｆｒの間隔ｄによって以下の式で決定される。
Ｕ＝ｆｄｐｄ
従って、ＬＤＶを採用した実施形態に係る流速計測装置１は、非侵襲（非接触）で、時間分解能の高い計測方法といえる。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２の干渉によって生じる干渉縞Ｆｒを、流れ場Ｆｆ中の粒子Ｐが通過する際に、干渉縞の明暗に対応した散乱光Ｌｓが生じる。このとき、光のドップラー効果によって散乱光Ｌｓに強弱が生じる。散乱光Ｌｓの光信号を観察部３０のフォトディテクタ３３で電気信号に変換し、制御部４０において干渉縞通過時の周波数を得る。この方法は光を使用するため、光信号が発せられた瞬間の信号を取得できる。そのため、時間分解能が高い。
粒子Ｐの流速Ｕは、ドップラー周波数ｆｄｐと干渉縞Ｆｒの間隔ｄによって以下の式で決定される。
Ｕ＝ｆｄｐｄ
従って、ＬＤＶを採用した実施形態に係る流速計測装置１は、非侵襲（非接触）で、時間分解能の高い計測方法といえる。
【0020】
ここで、本実施形態に係る流速計測装置１は、図４に示すように、液体レンズ２１を採用し、制御部４０の制御のもとで、液体レンズ２１の焦点距離ｆを奥行き方向Ｄｄに可変できる。例えば、図４中の点線は焦点距離が長くなるように液体レンズ２１を制御したときのレーザ光Ｌ１、Ｌ２を示している。また、図４中の二点鎖線は焦点距離が短くなるように液体レンズ２１を制御したときのレーザ光Ｌ１、Ｌ２を示している。
従来構成のＬＤＶでは、固定焦点であるためプローブに対して奥行き方向Ｄｄの流速を取得するために、プローブを奥行き方向Ｄｄに対して動かす必要があった。つまり、従来構成のＬＤＶでは、装置そのものを動かす必要があるので、装置に空間的な制約が生じる。これに対して、本実施形態に係る流速計測装置１では、液体レンズ２１を使用した構成のＬＤＶであるので、焦点距離を電気的に制御でき、計測する位置を、プローブを動かすことなく変更することができる。従って、奥行き方向Ｄｄに対する空間的な制約が少なくなる。また、装置を空間的に動かすことが困難な場でも、装置を動かすことなく奥行き方向Ｄｄに対する流速分布Ｖｐを取得することが可能となる。更には、流れ場Ｆｆにおける奥行き方向Ｄｄの流速分布を瞬時にしてその場で計測可能となる。
従来構成のＬＤＶでは、固定焦点であるためプローブに対して奥行き方向Ｄｄの流速を取得するために、プローブを奥行き方向Ｄｄに対して動かす必要があった。つまり、従来構成のＬＤＶでは、装置そのものを動かす必要があるので、装置に空間的な制約が生じる。これに対して、本実施形態に係る流速計測装置１では、液体レンズ２１を使用した構成のＬＤＶであるので、焦点距離を電気的に制御でき、計測する位置を、プローブを動かすことなく変更することができる。従って、奥行き方向Ｄｄに対する空間的な制約が少なくなる。また、装置を空間的に動かすことが困難な場でも、装置を動かすことなく奥行き方向Ｄｄに対する流速分布Ｖｐを取得することが可能となる。更には、流れ場Ｆｆにおける奥行き方向Ｄｄの流速分布を瞬時にしてその場で計測可能となる。
【0021】
＜空間分解能について＞
本実施形態に係る流速計測装置１は、液体レンズ２１を用いたことで焦点距離を変化させることが可能であるが、焦点距離の変化に対して空間分解能が変化する。
本実施形態に係る流速計測装置１は、液体レンズ２１を用いたことで焦点距離を変化させることが可能であるが、焦点距離の変化に対して空間分解能が変化する。
【0022】
図５に示すように、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の波長をλ、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の間隔とδ、液体レンズ２１の焦点距離をｆ、液体レンズ２１を介した後のレーザ光Ｌ１、Ｌ２の各ビーム径をＤとすると、図６に示すレーザ光Ｌ１、Ｌ２の交差幅であるビームウエスト径φは、
φ＝４λｆ／πｎＤ＝４λｆ／πＤ （ｎは屈折率であり、空気中を想定するとｎ＝１）
であり、φは計測体積の径（ｘ＊ｙ）に相当する。
φ＝４λｆ／πｎＤ＝４λｆ／πＤ （ｎは屈折率であり、空気中を想定するとｎ＝１）
であり、φは計測体積の径（ｘ＊ｙ）に相当する。
【0023】
ビームの交差角度θは、
θ＝ｔａｎ―１（０．５δ／ｆ）
であり、フリンジスペース（干渉縞間隔）Δｘは、
Δｘ＝λ（２ｎｓｉｎθ）＝λ（２ｓｉｎθ）
であり、プローブボリューム長さ（レーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差している部分の長さ）ｌは、
ｌ＝φ／ｓｉｎθ
である。
プローブボリュームｌの大きさが、すなわち、空間分解能になる。焦点の変化に伴いθの値も変化するため、ボリューム長さｌも焦点変化に合わせて変化するといえる。そのため、ｌが小さくなると、その分空間を細かく計測できるようになるため、空間分解能が上がる。逆にｌが大きくなると、空間をあまり細かく計測できないので、空間分解能が低下する。
θ＝ｔａｎ―１（０．５δ／ｆ）
であり、フリンジスペース（干渉縞間隔）Δｘは、
Δｘ＝λ（２ｎｓｉｎθ）＝λ（２ｓｉｎθ）
であり、プローブボリューム長さ（レーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差している部分の長さ）ｌは、
ｌ＝φ／ｓｉｎθ
である。
プローブボリュームｌの大きさが、すなわち、空間分解能になる。焦点の変化に伴いθの値も変化するため、ボリューム長さｌも焦点変化に合わせて変化するといえる。そのため、ｌが小さくなると、その分空間を細かく計測できるようになるため、空間分解能が上がる。逆にｌが大きくなると、空間をあまり細かく計測できないので、空間分解能が低下する。
【0024】
＜空間分解能と不確かさについて＞
本実施形態に係る流速計測装置１では、液体レンズ２１を使って焦点距離を変化させる構成を採用する。従って、例えば液体レンズ２１の焦点距離ｆを変化させながら計測を行う場合には、プローブボリューム長さｌの値が小さいほど奥行き方向Ｄｄの空間分解能が高くなる。つまり、焦点距離ｆの値が小さくなるとθの値が大きくなり、それに伴いsinθの値が大きくなるためプローブのボリューム長さｌは小さくなる。つまり、焦点距離ｆが短くなる奥行き方向Ｄｄの空間分解能が高く、プローブに近い部分の流速を高精度に取得可能である。
一方、図７に示した通り、焦点距離ｆが大きくなることによって、プローブボリュームが大きくなる。すなわち、分解能が低下する。このとき、計測している任意の位置において、プローブボリューム内で流速は一意に定まるため、プローブボリューム内で流速が分布を持つ場合、その分布は、計測している点における流速の平均値に対する不確かさとして表現される。
焦点距離ｆの変化に対する空間分解能の変化は、図７に示すように、１０ｍｍ程度焦点が変化しても高々２％程度である。従って、本実施形態に係る流速計測装置１のごとく液体レンズ２１を使って焦点距離を変化させる構成を採用しても、計測中に焦点距離を大幅に変化させない限りは，計測そのものの不確かさは大して大きくならないと考えられる。なお、図７は、前提条件として元のビーム径Ｄ＝１ｍｍ、ビーム間隔δ＝１５ｍｍとして算出している。
本実施形態に係る流速計測装置１では、液体レンズ２１を使って焦点距離を変化させる構成を採用する。従って、例えば液体レンズ２１の焦点距離ｆを変化させながら計測を行う場合には、プローブボリューム長さｌの値が小さいほど奥行き方向Ｄｄの空間分解能が高くなる。つまり、焦点距離ｆの値が小さくなるとθの値が大きくなり、それに伴いsinθの値が大きくなるためプローブのボリューム長さｌは小さくなる。つまり、焦点距離ｆが短くなる奥行き方向Ｄｄの空間分解能が高く、プローブに近い部分の流速を高精度に取得可能である。
一方、図７に示した通り、焦点距離ｆが大きくなることによって、プローブボリュームが大きくなる。すなわち、分解能が低下する。このとき、計測している任意の位置において、プローブボリューム内で流速は一意に定まるため、プローブボリューム内で流速が分布を持つ場合、その分布は、計測している点における流速の平均値に対する不確かさとして表現される。
焦点距離ｆの変化に対する空間分解能の変化は、図７に示すように、１０ｍｍ程度焦点が変化しても高々２％程度である。従って、本実施形態に係る流速計測装置１のごとく液体レンズ２１を使って焦点距離を変化させる構成を採用しても、計測中に焦点距離を大幅に変化させない限りは，計測そのものの不確かさは大して大きくならないと考えられる。なお、図７は、前提条件として元のビーム径Ｄ＝１ｍｍ、ビーム間隔δ＝１５ｍｍとして算出している。
【0025】
また、焦点距離に応じて空間分解能が変化することを以下に示すように積極的に利用してもよい。
【0026】
＜一実施形態に係る流速分布計測システム＞
図８は本発明の他の実施形態に係る流速分布計測システム１００の構成を示す概略図である。
図８に示すように、流速分布計測システム１００は、壁１０１近傍の気体などの流体の流速分布Ｖｐを計測する。
図８は本発明の他の実施形態に係る流速分布計測システム１００の構成を示す概略図である。
図８に示すように、流速分布計測システム１００は、壁１０１近傍の気体などの流体の流速分布Ｖｐを計測する。
【0027】
流速分布計測システム１００は、上記の実施形態に係る流速計測装置１を、出射部１０（図１参照）より出射された２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差する領域が壁１０１近傍に位置するように、壁１０１内に埋め込んで構成される。
【0028】
ここで、流速分布Ｖｐは、壁１０１近傍に近いほど小さい値となるが、壁１０１近傍に近いほど焦点距離ｆが短くなってｌが小さくなるため空間分解能は高くなり、図９に示すように壁１０１近傍における流速の不確かさは小さくなる．すなわち、エラーバーの幅は小さくなる。一方、流速分布Ｖｐは、壁１０１近傍から離れるほど大きい値となるが、壁１０１近傍から離れるほど焦点距離ｆが長くなってｌが大きくなるため空間分解能は低くなり、図９に示すように壁１０１近傍における流速の不確かさは大きくなる。すなわち，エラーバーの幅は大きくなる。なお、図９において、プロットした点は壁１０１近傍から所定距離（ｚ）離れた各点の流速（ｕ）であり、プロット点から生えている上下左右の細線がエラーバーの幅を示している。上下方向のエラーバーはｌの大きさに伴う計測位置のエラーバーであり、左右方向のエラーバーが流速のエラーバーである。
【0029】
また、従来構成のＬＤＶでは、壁１０１近傍の流速分布Ｖｐを取得するために、装置を動かすための高精度な位置決め装置が必要だった。また、プローブボリューム長さｌの値よりも小さなサイズのセンサは従来から存在するが、流路の中にセンサを挿入する必要があり、流れを乱してしまっていた。
【0030】
これに対して、本実施形態に係る流速分布計測システム１００では、可変焦点レンズ系を使用するため、流速計測装置１を動かすことなく、そして非侵襲な計測方法であるため流れを乱すことなく、壁１０１近傍の流速分布Ｖｐを計測できる。なお、本実施形態に係る流速分布計測システム１００では、焦点距離の調整が１ｍｍ以下の精度で可能であることが確認されている。
【0031】
＜一実施形態に係る流体制御システム＞
図１０は本発明の更に別の実施形態に係る流体制御システム２００の構成を示す概略図である。ここでは、典型的には航空機の翼に当該流体制御システム２００を採用した例を示す。
図１０において、符号２０１は壁の一態様である翼を示し、符号２０２は翼２０１の上面を示している。また、図中左側が翼２０１の前縁側である。
翼２０１の内部には本実施形態に係る流体制御システム２００の主要部が搭載されている。
図１０は本発明の更に別の実施形態に係る流体制御システム２００の構成を示す概略図である。ここでは、典型的には航空機の翼に当該流体制御システム２００を採用した例を示す。
図１０において、符号２０１は壁の一態様である翼を示し、符号２０２は翼２０１の上面を示している。また、図中左側が翼２０１の前縁側である。
翼２０１の内部には本実施形態に係る流体制御システム２００の主要部が搭載されている。
【0032】
流体制御システム２００は、翼２０１近傍を流れる流体に当該流体の流れに影響を与える影響付与部２１０と、上記の実施形態に係る流速計測装置１とから主要部が構成され、更に影響付与部２１０と流速計測装置１との動作の同期を図るためのシンクロナイザ２２０と、制御部２３０とを有する。
【0033】
ここで、影響付与部２１０は、例えば翼２０１内に埋め込まれ、流体を翼２０１の表面から高速で上方に吹き出す吹き出しデバイスにより構成することができる。なお、影響付与部２１０は、吹き出しデバイスだけでなく、例えばvortex generatorに代表される突起型デバイスや誘電体バリア放電プラズマアクチュエータ等により構成することができる。
流速計測装置１のプローブ２は、影響付与部２１０よりも翼２０１の後端側で、出射部１０より出射された２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差する領域が翼２０１近傍に位置するように、翼２０１内に埋め込んで構成される。なお、流速計測装置１は、影響付与部２１０より下流でなく、上流の翼２０１内に埋め込んでもよい。
制御部２３０は、例えばＰＣにより構成され、流速計測装置１により計測された流体の流速に基づき、影響付与部２１０による流体の流れに与える影響を制御する。シンクロナイザ２２０や制御部２３０は機体の胴体に配置してもよい。
流速計測装置１のプローブ２は、影響付与部２１０よりも翼２０１の後端側で、出射部１０より出射された２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差する領域が翼２０１近傍に位置するように、翼２０１内に埋め込んで構成される。なお、流速計測装置１は、影響付与部２１０より下流でなく、上流の翼２０１内に埋め込んでもよい。
制御部２３０は、例えばＰＣにより構成され、流速計測装置１により計測された流体の流速に基づき、影響付与部２１０による流体の流れに与える影響を制御する。シンクロナイザ２２０や制御部２３０は機体の胴体に配置してもよい。
【0034】
このように構成された流体制御システム２００では、流速計測装置１が、翼２０１の表面上において速度変動が大きな流れに追従する粒子より生じる散乱光をリアルタイムで計測し、制御部２３０は、ドップラー信号があるしきい値を超えたとき、影響付与部２１０より、例えば高速の気体を吹き出して翼２０１表面上の流れに運動量を付加することで、流れを制御する。これにより、翼２０１の表面上の流れで生じている大きな変動を抑制することができる。そして、本実施形態に係るシステムでは、時系列的にＬ１およびＬ２が交差する領域で生じる粒子の散乱光の光信号を取得し、その信号に基づいて吹き出し等を行うことで、翼２０１の表面上の流れをリアルタイムに制御することが可能となる。リアルタイムの制御を可能とすることで、より精度よく翼２０１表面上における流れの剥離の抑制を行うことができるようになる。
【0035】
＜本実施形態に係る流速計測装置の使用例＞
図１１は航空機の母翼３０１及び母翼３０１に対して展開可能に設けられるフラップ３０２の概略的斜視図を示している。図１１はフラップ３０２が展開された状態を表している。
符号３００は、上記の流速計測装置１そのものを微細加工（ＭＥＭＳ）により作成し、それらを複数並べて一つのＭＥＭＳセンサモジュールに構成したものである。ＭＥＭＳセンサモジュール３００は、例えばフラップ３０２表面の前縁側に前縁と平行になるように埋め込まれる。この位置は、フラップ３０２が母翼３０１に収納された状態、或いはフラップ３０２が母翼３０１から展開された状態であってもその周囲から直接観察できない場合がある。
図１１は航空機の母翼３０１及び母翼３０１に対して展開可能に設けられるフラップ３０２の概略的斜視図を示している。図１１はフラップ３０２が展開された状態を表している。
符号３００は、上記の流速計測装置１そのものを微細加工（ＭＥＭＳ）により作成し、それらを複数並べて一つのＭＥＭＳセンサモジュールに構成したものである。ＭＥＭＳセンサモジュール３００は、例えばフラップ３０２表面の前縁側に前縁と平行になるように埋め込まれる。この位置は、フラップ３０２が母翼３０１に収納された状態、或いはフラップ３０２が母翼３０１から展開された状態であってもその周囲から直接観察できない場合がある。
【0036】
典型的には、風洞試験室のような環境であり、かつ、壁に囲まれて計測窓もない場所で、フラップ３０２にＭＥＭＳセンサモジュール３００を埋め込むことで母翼３０１とフラップ３０２の間を通過する気流の速度分布を取得することができる。
【0037】
なお、本実施形態に係る流速計測装置１では、内視鏡のようなものを作成し、プローブを通して人の手が届かないような部分の流速の計測を実施することができる。
また、本実施形態に係る流速計測装置１を走行中の自動車の燃焼機関に挿し込んで、燃焼機関内における微粒子の動きから燃焼の様子を計測することができる。
更に、本実施形態に係る流速計測装置１を人間の皮膚から体内に挿入し、血管壁と面を合わせ、例えば、血管内を流れる赤血球の干渉縞通過時における散乱光を取得して、血流の速度分布を計測することができる。
また、本実施形態に係る流速計測装置１を走行中の自動車の燃焼機関に挿し込んで、燃焼機関内における微粒子の動きから燃焼の様子を計測することができる。
更に、本実施形態に係る流速計測装置１を人間の皮膚から体内に挿入し、血管壁と面を合わせ、例えば、血管内を流れる赤血球の干渉縞通過時における散乱光を取得して、血流の速度分布を計測することができる。
【0038】
＜本実施形態に係る流速計測装置の応用例＞
図１２は本実施形態に係る流速計測装置の応用例を説明するための図であり、液体レンズ２１を通して出射部及び観察部をみた状態を示している。
この応用例に係る流速計測装置４０１は、出射部としての第１及び第２の出射部１０ａ、１０ｂと、観察部としての第１及び第２の観察部３０ａ、３０ｂと、を有する。
第１の出射部１０ａは、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射し、第２の出射部１０ｂは、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を結ぶ第１の直線ｌ１と直交する第２の直線ｌ２上より、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差する領域と同じ領域で交差する他の２本のレーザ光Ｌ３、Ｌ４を出射する。第１の観察部３０ａは、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２に由来する散乱光を観察し、第２の観察部３０ｂは、他の２本のレーザ光Ｌ３、Ｌ４に由来する散乱光を観察する。
図１２は本実施形態に係る流速計測装置の応用例を説明するための図であり、液体レンズ２１を通して出射部及び観察部をみた状態を示している。
この応用例に係る流速計測装置４０１は、出射部としての第１及び第２の出射部１０ａ、１０ｂと、観察部としての第１及び第２の観察部３０ａ、３０ｂと、を有する。
第１の出射部１０ａは、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射し、第２の出射部１０ｂは、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を結ぶ第１の直線ｌ１と直交する第２の直線ｌ２上より、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が交差する領域と同じ領域で交差する他の２本のレーザ光Ｌ３、Ｌ４を出射する。第１の観察部３０ａは、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２に由来する散乱光を観察し、第２の観察部３０ｂは、他の２本のレーザ光Ｌ３、Ｌ４に由来する散乱光を観察する。
【0039】
例えば、第１及び第２の出射部１０ａ、１０ｂが出射するレーザ光を異なる波長とし、第１の観察部３０ａは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２だけを入光するフィルタを設け、第２の観察部３０ｂはレーザ光Ｌ３、Ｌ４だけを入光するフィルタを設けることで、それぞれ別個に、干渉縞を通過する粒子から発せられる散乱光を観察することが可能である。
【0040】
この応用例に係る流速計測装置４０１では、制御部４０（図１参照）における演算で壁の表面を流れる流体の方向とその方向に対する流体の流速分布を計測できる。
【0041】
＜その他＞
本発明は、上記の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内で変形して実施することができ、また応用して実施することもできる。そして、これらの実施の範囲も本発明は技術的範囲に属することは勿論である。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内で変形して実施することができ、また応用して実施することもできる。そして、これらの実施の範囲も本発明は技術的範囲に属することは勿論である。
【符号の説明】
【0042】
１ ：流速計測装置
１０ ：出射部
１１ ：レーザ光源
１２ ：ビームスプリッタ
１３ ：プリズム
２０ ：可変焦点レンズ系
２１ ：液体レンズ
３０ ：観察部
３１ ：集光レンズ
３３ ：フォトディテクタ
４０ ：制御部
１００ ：流速分布計測システム
１０１ ：壁
２００ ：流体制御システム
２１０ ：影響付与部
２３０ ：制御部
４０１ ：流速計測装置
Ｄ ：ビーム径
Ｄｄ ：奥行き方向
Ｆｆ ：流れ場
Ｆｒ ：干渉縞
Ｌ ：レーザ光
Ｌ１ ：レーザ光
Ｌ２ ：レーザ光
Ｌ３ ：レーザ光
Ｌ４ ：レーザ光
Ｌｓ ：散乱光
Ｐ ：粒子
Ｕ ：流速
Ｖｐ ：流速分布
ｆ ：焦点距離
ｆｄｐ ：ドップラー周波数
ｌ ：プローブボリューム
ｌ１ ：第１の直線
ｌ２ ：第２の直線
λ ：レーザ光Ｌ１、Ｌ２の波長
θ ：交差角度
δ ：ビーム間隔
φ ：ビームウエスト径
１０ ：出射部
１１ ：レーザ光源
１２ ：ビームスプリッタ
１３ ：プリズム
２０ ：可変焦点レンズ系
２１ ：液体レンズ
３０ ：観察部
３１ ：集光レンズ
３３ ：フォトディテクタ
４０ ：制御部
１００ ：流速分布計測システム
１０１ ：壁
２００ ：流体制御システム
２１０ ：影響付与部
２３０ ：制御部
４０１ ：流速計測装置
Ｄ ：ビーム径
Ｄｄ ：奥行き方向
Ｆｆ ：流れ場
Ｆｒ ：干渉縞
Ｌ ：レーザ光
Ｌ１ ：レーザ光
Ｌ２ ：レーザ光
Ｌ３ ：レーザ光
Ｌ４ ：レーザ光
Ｌｓ ：散乱光
Ｐ ：粒子
Ｕ ：流速
Ｖｐ ：流速分布
ｆ ：焦点距離
ｆｄｐ ：ドップラー周波数
ｌ ：プローブボリューム
ｌ１ ：第１の直線
ｌ２ ：第２の直線
λ ：レーザ光Ｌ１、Ｌ２の波長
θ ：交差角度
δ ：ビーム間隔
φ ：ビームウエスト径
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】