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(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】2024-06-25
(45)【発行日】2024-07-03
(54)【発明の名称】無指向飛砂量計測装置
(51)【国際特許分類】
G01W 1/00 20060101AFI20240626BHJP
G01P 13/02 20060101ALI20240626BHJP
【ＦＩ】
G01W1/00 Z
G01P13/02 A
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020192786
(22)【出願日】2020-11-19
(65)【公開番号】P2022081325
(43)【公開日】2022-05-31
【審査請求日】2023-11-03
(73)【特許権者】
【識別番号】504150461
【氏名又は名称】国立大学法人鳥取大学
(74)【代理人】
【識別番号】100167645
【弁理士】
【氏名又は名称】下田 一弘
(72)【発明者】
【氏名】劉 佳啓
(72)【発明者】
【氏名】木村 玲二
【審査官】福田 裕司
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１０２３２２８９８（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０７９６６３２９（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０６０１７８４９（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０１９９５３２４（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国実用新案第２０８０７６２３１（ＣＮ，Ｕ）
【文献】中国実用新案第２０１７６５１０７（ＣＮ，Ｕ）
【文献】中国実用新案第２０１５１４４１８（ＣＮ，Ｕ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１６８６００（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－１７２９８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】Alessandro Pozzebon et al.，A Wireless Sensor Network for the Real-Time Remote Measurement of Aeolian Sand Transport on Sandy Beaches and Dunes，Sensors 2018，2018年03月08日，Vol.18,No.3，pp.1-21，https://doi.org/10.3390/s18030820
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｗ １／００
Ｇ０１Ｐ １３／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
飛砂量計測センサを鉛直方向に複数配置する飛砂検出部と、基板上に回転可能に取り付けられた回転支持体上に載置された筐体に内蔵されたデータ記憶部と、
前記回転支持体を中心として前記飛砂検出部に対向して配置された風受け部と、
前記飛砂検出部、前記データ記憶部及び前記風受け部を同一平面状に保持して連結する連結部と、
からなる無指向飛砂量計測装置。
【請求項2】
前記飛砂検出部は、飛砂量計測センサ相互の間隔を任意に配置可能とすることを特徴とする請求項１に記載する無指向飛砂量計測装置。
【請求項3】
前記飛砂検出部は、飛砂量計測センサが飛砂衝突部にコーン型共振子を採用した圧電振動子であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載する無指向飛砂量計測装置。
【請求項4】
前記データ記憶部は、前記飛砂検出部からの衝撃振動信号を増幅する信号増幅器と、
回転支持体の回転軸に沿って回動可能に配置されたポテンショメータからなる風向検出部と、
前記信号増幅器及び前記ポテンショメータの信号を保存するデータロガーと、
前記データロガーのデータを伝送する無線モデムと、
を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する無指向飛砂量計測装置。
【請求項5】
前記風向検出部は、前記ポテンショメータを回転支持体の回転軸に沿って回動可能とすると共に、スリップリングを介して外部電源と接続されていることを特徴とする請求項４に記載する無指向飛砂量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願発明は、海岸砂地における飛砂発生量を計測する飛砂量計測装置、特に、鉛直方向の飛砂量を全方位で計測できる無指向飛砂量計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
乾燥地や海岸の風食により生じる飛砂は、乾燥地における砂漠化や、海岸に隣接する農地の土壌侵食及び道路への堆砂の原因になるなど、世界中で深刻な問題となっている。有効な飛砂の制御方法を開発するためには、地表面における飛砂の運動特性を詳細に計測することが重要である。特に、飛砂量の鉛直分布を計測することで、地表面の風食状態を物理的に把握することが可能となる。
しかしながら、野外観測で飛砂量計測手段は、トラップ型の補砂器を用いて飛砂量を計測するものである（特許文献１）。このため、個々の捕砂効率が異なり、一定量の捕砂に時間を要し、時間積算の飛砂量しか得られない等の理由から詳細な物理的現象の解明が妨げられるという問題がある。
しかしながら、野外観測で飛砂量計測手段は、トラップ型の補砂器を用いて飛砂量を計測するものである（特許文献１）。このため、個々の捕砂効率が異なり、一定量の捕砂に時間を要し、時間積算の飛砂量しか得られない等の理由から詳細な物理的現象の解明が妨げられるという問題がある。
【0003】
一方、飛砂量計測には、種々のデジタル計測機器が開発され（特許文献２）、風速変化に伴う飛砂状況の変化について経時的で詳細なデータの取得が可能となっている。
しかしながら、特定の方向の飛砂量しか計測できない、機材が高価であるため多点計測が実現できない、風洞実験と野外観測を併用できない等の問題がある。
しかしながら、特定の方向の飛砂量しか計測できない、機材が高価であるため多点計測が実現できない、風洞実験と野外観測を併用できない等の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００５－３０８６２１号公報
【文献】特開平７－８４０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本願発明は、上記課題に鑑み、飛砂量の鉛直方向の多点計測をすることで、風洞実験と野外観測の併用を可能とし、風向の同時計測を行うことで、風向による飛砂量変化を計測可能とする無指向飛砂量計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本願発明の課題は、以下の態様により解決できる。具体的には、
【0007】
（態様１） 飛砂量計測センサを鉛直方向に複数配置する飛砂検出部と、基板上に回転可能に取り付けられた回転支持体上に載置された筐体に内蔵されたデータ記憶部と、前記回転支持体を中心として前記飛砂検出部に対向して配置された風受け部と、前記飛砂検出部、前記データ記憶部及び前記風受け部を同一平面状に保持して連結する連結部と、からなる無指向飛砂量計測装置である。
飛砂検出部と風受け部を同一平面上に配置することで風向に対応した飛砂量分布を計測することができ、風向による飛砂量変化が計測可能となるからである。また、回転支持体上に載置されたデータ記憶部に飛砂量分布と風向変位量を保存することより、風向による飛砂量変化を解析できるからである。
飛砂検出部と風受け部を同一平面上に配置することで風向に対応した飛砂量分布を計測することができ、風向による飛砂量変化が計測可能となるからである。また、回転支持体上に載置されたデータ記憶部に飛砂量分布と風向変位量を保存することより、風向による飛砂量変化を解析できるからである。
【0008】
（態様２） 前記飛砂検出部は、飛砂量計測センサ相互の間隔を任意に配置可能とすることを特徴とする（態様１）に記載する無指向飛砂量計測装置である。
複数の飛砂量計測センサにより飛砂量の鉛直方向の多点計測をすることができ、相互の間隔を任意に配置可能とすることで風洞実験と野外観測の併用を可能となるからである。
複数の飛砂量計測センサにより飛砂量の鉛直方向の多点計測をすることができ、相互の間隔を任意に配置可能とすることで風洞実験と野外観測の併用を可能となるからである。
【0009】
（態様３） 前記飛砂検出部は、飛砂量計測センサが飛砂衝突部にコーン型共振子を採用した圧電振動子であることを特徴とする（態様１）または（態様２）のいずれかに記載する無指向飛砂量計測装置である。
超音波センサに採用されている高精度のコーン型共振子を採用した圧電振動子を飛砂量計測センサとすることで、飛砂量を高精度で計測できるからである。
超音波センサに採用されている高精度のコーン型共振子を採用した圧電振動子を飛砂量計測センサとすることで、飛砂量を高精度で計測できるからである。
【0010】
（態様４） 前記データ記憶部は、前記飛砂検出部からの衝撃振動信号を増幅する信号増幅器と、回転支持体の回転軸に沿って回動可能に配置されたポテンショメータからなる風向検出部と、前記信号増幅器及び前記ポテンショメータの信号を保存するデータロガーと、前記データロガーのデータを伝送する無線モデムと、を備える（態様１）乃至（態様３）のいずれかに記載する無指向飛砂量計測装置である。
風向検出部のポテンショメータを回転支持体の回転軸に沿って回動可能に配置することで風受け部とポテンショメータを同期させることができ、風向変位データを適切に計測できるからである。
風向検出部のポテンショメータを回転支持体の回転軸に沿って回動可能に配置することで風受け部とポテンショメータを同期させることができ、風向変位データを適切に計測できるからである。
【0011】
（態様５） 前記風向検出部は、前記ポテンショメータを回転支持体の回転軸に沿って回動可能とすると共に、スリップリングを介して外部電源と接続されていることを特徴とする（態様４）に記載する無指向飛砂量計測装置である。
複数の歯車を組み合わせることにより、風向変位量を検出するポテンショメータをスリップリングで接続された回転軸を回動する構造とするポテンショメータとスリップリングとの連動機構が設けられたことにより飛砂量計測と風向変位計測を同時が可能となるからである。また、スリップリングを介して外部電源に接続され、無指向飛砂量計測装置に電力供給できるからである。
複数の歯車を組み合わせることにより、風向変位量を検出するポテンショメータをスリップリングで接続された回転軸を回動する構造とするポテンショメータとスリップリングとの連動機構が設けられたことにより飛砂量計測と風向変位計測を同時が可能となるからである。また、スリップリングを介して外部電源に接続され、無指向飛砂量計測装置に電力供給できるからである。
【発明の効果】
【0012】
本願発明の無指向飛砂量計測装置は、高精度のコーン型共振子を採用した圧電振動子を飛砂量計測センサとした飛砂検出部と風受け部を同一平面上に配置することで風向に対応した飛砂量分布を高精度で計測することができ、風向による飛砂量変化が計測可能となる。複数の飛砂量計測センサにより飛砂量の鉛直方向の多点計測をすることができ、相互の間隔を任意に配置可能とすることで風洞実験と野外観測の併用を可能となる。風向検出部のポテンショメータを回転支持体の回転軸に沿って回動可能に配置することで風受け部とポテンショメータを同期させることができ、風向変位データを適切に計測できる。風向変位量を検出するポテンショメータをスリップリングで接続された回転軸を回動する構造とするポテンショメータとスリップリングとの連動機構を設けることで飛砂量計測と風向変位計測を同時が可能となる。スリップリングを介して外部電源に接続され、無指向飛砂量計測装置に電力供給できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本願発明の無指向飛砂量計測装置の実施態様の１つを示す外観斜視図である。
【図2】本願発明の飛砂検出部における飛砂計測センサの配置の態様を示す斜視図である。
【図3】本願発明の飛砂計測センサに採用する圧電振動子を示す模式図である。
【図4】本願発明のデータ記憶部の基本的な構成要素を示した模式図である。
【図5】本願発明の風向検出部の構造を示した模式図である。
【図6】本願発明の無指向飛砂量計測装置のシステム接続構成図である。
【図7】本願発明の無指向飛砂量計測装置のシステム接続ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本願発明の無指向飛砂量計測装置について、以下、その実施態様を図面で説明する。
【0015】
（１）無指向飛砂量計測装置
図１は、本願発明の無指向飛砂量計測装置の実施態様の１つを示す外観斜視図である。無指向飛砂量計測装置１は、飛砂量計測センサ１１を鉛直方向に複数配置する飛砂検出部１２と、基板１６上に回転可能に取り付けられた回転支持体１７上に載置された筐体に内蔵されたデータ記憶部１３と、前記回転支持体１７を中心として前記飛砂検出部１２に対向して配置された風受け部１４と、前記飛砂検出部１２、前記データ記憶部１３及び前記風受け部１４を同一平面状に保持して連結する連結部１５と、からなる。
また、データ記憶部１３に記録されたデータは、無線モデム１８により、データ処理装置（図示せず）に送られて解析される。風受け部１４は、風向に合わせて移動する中空の風受け板で構成されている。風受け部１４の形状は無指向飛砂量計測装置１の回転バランスと速度を制御するために適宜選択できる。
図１は、本願発明の無指向飛砂量計測装置の実施態様の１つを示す外観斜視図である。無指向飛砂量計測装置１は、飛砂量計測センサ１１を鉛直方向に複数配置する飛砂検出部１２と、基板１６上に回転可能に取り付けられた回転支持体１７上に載置された筐体に内蔵されたデータ記憶部１３と、前記回転支持体１７を中心として前記飛砂検出部１２に対向して配置された風受け部１４と、前記飛砂検出部１２、前記データ記憶部１３及び前記風受け部１４を同一平面状に保持して連結する連結部１５と、からなる。
また、データ記憶部１３に記録されたデータは、無線モデム１８により、データ処理装置（図示せず）に送られて解析される。風受け部１４は、風向に合わせて移動する中空の風受け板で構成されている。風受け部１４の形状は無指向飛砂量計測装置１の回転バランスと速度を制御するために適宜選択できる。
【0016】
（２）飛砂検出部
飛砂検出部１２は、飛砂計測センサ１１を任意の位置に配置できる。図２は、飛砂検出部１２の飛砂計測センサ１１の配置の態様を示す斜視図である。図２（ａ）は、飛砂計測センサ１１を下側（地表面）に多く配置した態様である。これは、飛砂計測を実際に行う砂地では、鉛直方向の飛砂量分布は、地表面から３０ｃｍ以下に集中し、特に１０ｃｍ以下に集中していることが報告されており、砂地での飛砂量計測に対応して配置した態様である。図２（ｂ）は、飛砂計測センサ１１を均等に配置した態様である。風洞実験等の一般的な計測に適用される。
飛砂検出部１２は、飛砂計測センサ１１を任意の位置に配置できる。図２は、飛砂検出部１２の飛砂計測センサ１１の配置の態様を示す斜視図である。図２（ａ）は、飛砂計測センサ１１を下側（地表面）に多く配置した態様である。これは、飛砂計測を実際に行う砂地では、鉛直方向の飛砂量分布は、地表面から３０ｃｍ以下に集中し、特に１０ｃｍ以下に集中していることが報告されており、砂地での飛砂量計測に対応して配置した態様である。図２（ｂ）は、飛砂計測センサ１１を均等に配置した態様である。風洞実験等の一般的な計測に適用される。
【0017】
（３）飛砂計測センサ
飛砂（砂粒子）の計測手段としては、飛砂粒子の重量を計測するトラップ法、飛砂粒子がセンサに衝突した音を計測する音響センサ法、飛砂粒子がレーザー光を遮る頻度を計測する光学センサ法、飛砂粒子がセンサに衝突する衝撃力を計測する圧電センサ法が知られている。
本願発明では、飛砂計測センサ１１には高精度の超音波センサに使用されているコーン型共振子１１１を飛砂衝突部に採用した圧電振動子を用いている。図３は、本願発明の飛砂計測センサ１１に採用するコーン型共振子１１１を飛砂衝突部に採用した圧電振動子の構造を示す模式図である。圧電振動子は、ステンレス等の金属管の先端に飛砂粒子の衝突により振動する円錐形状のコーン型共振子１１１とコーン型共振子１１１の振動を検出して電気的な衝動信号を出力する金属板１１２と圧電セラミックス１１３からなる振動検出センサ１１５で構成されている。電気的な衝撃信号は出力リード１１４とケーブル２１によりデータ記憶部１３の信号増幅器２０へ出力される。
飛砂（砂粒子）の計測手段としては、飛砂粒子の重量を計測するトラップ法、飛砂粒子がセンサに衝突した音を計測する音響センサ法、飛砂粒子がレーザー光を遮る頻度を計測する光学センサ法、飛砂粒子がセンサに衝突する衝撃力を計測する圧電センサ法が知られている。
本願発明では、飛砂計測センサ１１には高精度の超音波センサに使用されているコーン型共振子１１１を飛砂衝突部に採用した圧電振動子を用いている。図３は、本願発明の飛砂計測センサ１１に採用するコーン型共振子１１１を飛砂衝突部に採用した圧電振動子の構造を示す模式図である。圧電振動子は、ステンレス等の金属管の先端に飛砂粒子の衝突により振動する円錐形状のコーン型共振子１１１とコーン型共振子１１１の振動を検出して電気的な衝動信号を出力する金属板１１２と圧電セラミックス１１３からなる振動検出センサ１１５で構成されている。電気的な衝撃信号は出力リード１１４とケーブル２１によりデータ記憶部１３の信号増幅器２０へ出力される。
【0018】
（４）データ記憶部
図４は、本願発明のデータ記憶部１３の基本的な構成要素を示した模式図である。データ記憶部１３は、基板１６上に回転可能に取り付けられた回転支持体１７上に載置された筐体２５内に、信号増幅器２０、データロガー２３、風向検出部３を内蔵している。筐体２５は、回転支持体１７に担持された回転軸２４により回転可能となっている。信号増幅器２０は、飛砂計測センサ１１の電気的な衝動信号を増幅して、データロガー２３に送信する役割を担う。データロガー２３は、信号増幅器２０からの飛砂量計測データ及び風向検出部３からの風向データを保存する役割を担う。風向検出部３は、風受け部１４の風向変位量を検出する役割を担う。
図４は、本願発明のデータ記憶部１３の基本的な構成要素を示した模式図である。データ記憶部１３は、基板１６上に回転可能に取り付けられた回転支持体１７上に載置された筐体２５内に、信号増幅器２０、データロガー２３、風向検出部３を内蔵している。筐体２５は、回転支持体１７に担持された回転軸２４により回転可能となっている。信号増幅器２０は、飛砂計測センサ１１の電気的な衝動信号を増幅して、データロガー２３に送信する役割を担う。データロガー２３は、信号増幅器２０からの飛砂量計測データ及び風向検出部３からの風向データを保存する役割を担う。風向検出部３は、風受け部１４の風向変位量を検出する役割を担う。
【0019】
（５）風向検出部
図５は、風向検出部３の構造を示す（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図である。風向検出部３においては、スリップリング３３を介して外部電源（図示せず）に接続され、無指向飛砂量計測装置１に電力供給される。また、風向変位量を検出するポテンショメータ３２は、複数の歯車３１及び回転部３４の回転によりスリップリング３３を含む回転軸（図示せず）を回動する構造になっている。このポテンショメータ３２とスリップリング３３との連動機構が設けられたことにより飛砂量計測と風向変位計測を同時に可能としている。なお、風向検出部内をポテンショメータ３２からの信号ケーブル２１及び外部電源４からの電源ケーブル２２が通じている。
図５は、風向検出部３の構造を示す（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図である。風向検出部３においては、スリップリング３３を介して外部電源（図示せず）に接続され、無指向飛砂量計測装置１に電力供給される。また、風向変位量を検出するポテンショメータ３２は、複数の歯車３１及び回転部３４の回転によりスリップリング３３を含む回転軸（図示せず）を回動する構造になっている。このポテンショメータ３２とスリップリング３３との連動機構が設けられたことにより飛砂量計測と風向変位計測を同時に可能としている。なお、風向検出部内をポテンショメータ３２からの信号ケーブル２１及び外部電源４からの電源ケーブル２２が通じている。
【0020】
（６）無指向飛砂量計測装置の稼働システム
図６は、本願発明の無指向飛砂量計測装置のシステム接続構成図であり、図７は、本願発明の無指向飛砂量計測装置のシステム接続ブロック図である。
飛砂検出部１２において、飛砂量計測センサ１１内のコーン型共振子１１１に飛砂が衝突することにより飛砂検出センサ１１５が衝突信号を出力する。
データ記憶部１３において、飛砂検出部１２が出力した衝突信号は、信号ケーブル２１により信号増幅部２０へ送信されて衝突信号が増幅される。増幅信号は信号ケーブル２１により飛砂量計測データとなりデータロガー２３へ送信されて保存される。一方、風受け部１４の変位は、ポテンショメータ３２により風向変位データとなり信号ケーブル２１によりデータロガー２３へ送信されて保存される。
データロガー２３に保存された飛砂量計測データ及び風向変位データは、無線モデム１８を介してデータ処理部１９へ送信されてデータ解析が行われる。
なお、外部電源４から電源ケーブル２２とスリップリング３３を介して無指向飛砂量計測装置１本体に電力が供給される。
図６は、本願発明の無指向飛砂量計測装置のシステム接続構成図であり、図７は、本願発明の無指向飛砂量計測装置のシステム接続ブロック図である。
飛砂検出部１２において、飛砂量計測センサ１１内のコーン型共振子１１１に飛砂が衝突することにより飛砂検出センサ１１５が衝突信号を出力する。
データ記憶部１３において、飛砂検出部１２が出力した衝突信号は、信号ケーブル２１により信号増幅部２０へ送信されて衝突信号が増幅される。増幅信号は信号ケーブル２１により飛砂量計測データとなりデータロガー２３へ送信されて保存される。一方、風受け部１４の変位は、ポテンショメータ３２により風向変位データとなり信号ケーブル２１によりデータロガー２３へ送信されて保存される。
データロガー２３に保存された飛砂量計測データ及び風向変位データは、無線モデム１８を介してデータ処理部１９へ送信されてデータ解析が行われる。
なお、外部電源４から電源ケーブル２２とスリップリング３３を介して無指向飛砂量計測装置１本体に電力が供給される。
【産業上の利用可能性】
【0021】
本願発明により、多点飛砂量と風向を同時計測可能な無指向飛砂量計測装置を提供できる。
【符号の説明】
【0022】
１ 無指向飛砂量計測装置
１１ 飛砂量計測センサ
１１１ 飛砂衝突部
１１２ 金属板
１１３ 圧電セラミックス
１１４ 出力リード
１１５ 飛砂検出センサ
１２ 飛砂検出部
１３ データ記憶部
１４ 風受け部
１５ 連結部
１６ 基板
１７ 回転支持体
１８ 無線モデム
２０ 信号増幅器
２１ 信号ケーブル
２２ 電源ケーブル
２３ データロガー
２４ 回転軸
２５ 筐体
３ 風向検出部
３１ 歯車
３２ ポテンショメータ
３３ スリップリング
３４ 回転部
１１ 飛砂量計測センサ
１１１ 飛砂衝突部
１１２ 金属板
１１３ 圧電セラミックス
１１４ 出力リード
１１５ 飛砂検出センサ
１２ 飛砂検出部
１３ データ記憶部
１４ 風受け部
１５ 連結部
１６ 基板
１７ 回転支持体
１８ 無線モデム
２０ 信号増幅器
２１ 信号ケーブル
２２ 電源ケーブル
２３ データロガー
２４ 回転軸
２５ 筐体
３ 風向検出部
３１ 歯車
３２ ポテンショメータ
３３ スリップリング
３４ 回転部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
