JP2017009606A - 大気電界検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機構を有しない極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現する。【解決手段】受信アンテナ１は、板状誘電体１３を間に挟んで対向する第１および第２電極１１，１２を有する。電子回路部５は、第１および第２電極１１，１２間に発生する電圧を検知する。信号線２１，２２は、第１および第２電極１１，１２と電子回路部５とをそれぞれ接続する。電子回路部５は、信号線２１，２２と接続されたＣＲ構成のフィルタ回路を有し、受信帯域を制限するためのフィルタ３０と、フィルタ３０の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器４０とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、雷雲の成長過程における地上での電界強度の変化を測定するための装置に関する。

落雷とは、雷雲底から大地へ向けて先駆放電（ステップトリーダ）が繰り返し放たれ、大気の絶縁が破壊される過程を経て、雷雲と大地との間で全路放電する現象のことをいう。落雷の発生を予測するためには、雷雲と大地との間における大気電界の挙動に関する時空間情報を把握することが重要である。大気電界の状態を高い信頼度で検出できると、的確な雷予報が可能になる。すなわち、地上電界の時間空間変化を測定し、大気がやがて放電破壊に至るであろうと推測できるような電界変化が起これば、落雷の危険ありと判断すればよい。

従来は、直流の地上電界の測定には、通常、回転電極型電界計が用いられている。回転電極型電界計では、回転する接地遮蔽板すなわち回転電極による開閉動作により、大気電界相当の電荷量を固定電極で収集測定する。例えば非特許文献１では、回転電極形電界計で地上電界測定を行う場合において、電界計の校正法を検討するとともに、冬期雷に対する雷撃時の基本的地上電界波形について、理論的に検討した結果を取りまとめている。また、回転電極型電界計の原理は、高圧直流電界測定装置としても応用されている（例えば非特許文献２を参照）。

相原他、「冬期雷地上電界測定時における測定誤差と電界波形の推定」、財団法人電力中央研究所、電力中央研究所報告、研究報告：T94069、平成７年６月 Tant, P., Bolsens, B., Sels, T., Van Dommelen, D., Driesen, J., Belmans, R., "Design and Application of a Field Mill as a High-Voltage DC Meter", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL.56, NO.4, AUGUST 2007

ところが、上述した回転電極型電界計では、接地遮蔽板を一定速度で回転させるための電動駆動機構を必要としていた。すなわち、電界測定を行うための回路に加えて、回転電極を一定速度で回転させるための回路装置が必要であり、このため、装置が大がかりなものになっていた。また、酷寒期では着氷により遮蔽板が回転しなくなり、測定不能となってしまう、あるいは、小昆虫が駆動機構内に入り込み、収集測定した電荷量に大きな誤差が生じてしまう、等、長期間の連続測定を行う上で多くの問題点を有していた。

本発明は、前記のような問題に鑑み、回転機構を有しない極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現するものである。

本発明の一態様では、大気電界検出装置は、板状誘電体を挟んで対向する第１および第２電極を有する受信アンテナと、前記第１および第２電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、前記第１電極と前記電子回路部とを接続する第１信号線、および、前記第２電極と前記電子回路部とを接続する第２信号線を有する信号線部とを備え、前記電子回路部は、前記第１信号線と接続されたＣＲ構成の第１フィルタ回路、および、前記第２信号線と接続されたＣＲ構成の第２フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するためのフィルタと、前記第１および第２フィルタ回路の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備えている。

この態様によると、大気電界によって受信アンテナの第１および第２電極間に発生した電圧が、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送され、フィルタによって信号帯域が制限されてから、差動信号として差動増幅器によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。

そして、前記第１および第２電極は、例えば、平面形状が、円形状または円環状である。

また、前記信号線部は、前記第１および第２信号線を覆う遮蔽導体を有する遮蔽ケーブルを含み、前記遮蔽導体は、前記フィルタの共通電位端子、および、前記差動増幅器の参照電圧端子と共通に接地されていてもよい。

これにより、第１および第２電極の電圧信号が電子回路部に伝送される際の、電源周波数などのコモンモードノイズ耐性を強化することができる。

また、前記第１および第２フィルタ回路は、時定数を設定可能なように、または調整可能なように、構成されていてもよい。

これにより、第１および第２フィルタ回路の周波数特性を、設定または調整することができるので、大気電界検出を行う周波数帯域を容易に設定することができる。

また、前記差動増幅器は、利得調整抵抗が付加されていてもよい。

これにより、差動増幅器の出力電圧レベルを利得調整抵抗によって調整できるので、大気電界検出を行う周波数帯域に応じた利得調整が可能になる。

また、前記大気電界検出装置において、前記受信アンテナは、前記板状誘電体を挟んで対向する第３および第４電極をさらに有しており、前記信号線部は、前記第３電極と前記電子回路部とを接続する第３信号線、および、前記第４電極と前記電子回路部とを接続する第４信号線をさらに備え、前記電子回路部は、前記第３信号線と接続されたＣＲ構成の第３フィルタ回路、および、前記第４信号線と接続されたＣＲ構成の第４フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するための第２フィルタと、前記第３および第４フィルタ回路の出力を差動入力として受け、増幅する第２差動増幅器とを備えており、前記フィルタの時定数と、前記第２フィルタの時定数とは、異なっているものとしてもよい。

これにより、大気電界を検出する測定系が２系統設けられたので、より広い周波数帯域において、電界変動を検出することができる。

そして、前記第１および第２電極は、例えば、平面形状が、円環状であり、前記第３および第４電極は、例えば、平面視において、円環状である前記第１および第２電極の内側に設けられており、平面形状が、円形状または円環状である。

本発明の別の態様では、大気電界検出装置は、板状誘電体を挟んで対向する第１および第２電極を有する受信アンテナと、前記第１および第２電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、前記第１電極と前記電子回路部とを接続する第１信号線、および、前記第２電極と前記電子回路部とを接続する第２信号線を有する信号線部とを備え、前記電子回路部は、前記信号線部を経由して平衡伝送された信号におけるＤＣ信号成分を、所定周波数のＡＣ信号成分に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路と、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路の出力信号に対して、前記所定周波数を含む所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成された帯域フィルタと、前記帯域フィルタの出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備え、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路は、前記第１信号線と前記第２信号線との間に設けられており、容量値を変動可能に構成された３端子可変キャパシタを備え、前記３端子可変キャパシタの容量値を前記所定周波数でもって変動させる。

この態様によると、大気電界によって受信アンテナの第１および第２電極間に発生した電圧が、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送される。この電圧のうち、直流大気電界による電圧は、容量値の変動が可能な３端子可変キャパシタを備えたＤＣ／ＡＣ変換回路によって、所定の周波数のＡＣ信号成分に変換され、帯域フィルタによって不要ノイズが除去されてから、差動増幅器によって増幅される。これにより、回転機構を必要とせず、極めて簡易な構成によって、直流大気電界を精度良く測定することができる。

そして、前記３端子可変キャパシタは、第１および第２固定電極と、前記第１および第２固定電極の間に設けられた補助電極と、前記第１および第２固定電極の間に設けられた接地電極と、前記補助電極と前記接地電極との接続／非接続を、開閉動作により、切り替え可能に構成されたスイッチとを備えたものであるのが好ましい。

これにより、補助電極および接地電極を振動させることなく、スイッチの開閉動作によって容量値を変動させることができるので、動作がより安定した機構になる。

本発明によると、回転機構を有しない極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現することができる。

第１実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成図 第１実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例を示す図 第１実施形態における受信アンテナの電極形状の例を示す図 第１実施形態における受信アンテナの電極形状の例を示す図 受信アンテナの形状の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図 第１実施形態に係る大気電界検出装置の外観構成例を示す概略図 実験結果の一例を示すグラフ 第２実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成図 第２実施形態における受信アンテナの電極形状の例を示す図 第２実施形態における受信アンテナの電極形状の例を示す図 第２実施形態に係る大気電界検出装置の外観構成例を示す概略図 第３実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成図 第３実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例を示す図 図１１の回路構成に用いられる３端子可変キャパシタの一例 ３端子可変キャパシタの他の構成例 図１１の回路構成に用いられる放電回路の一例 実験結果の一例を示すグラフ 他の実施形態における受信アンテナの電極形状の例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図１において、受信アンテナ１は、大気電界Ｅａを電圧に変換するものであり、板状誘電体１３を挟んで対向する第１電極１１および第２電極１２を有している。受信アンテナ１は、ほぼ水平になるように設置される。すなわち、電極表面が、雷雲と大地との間に発生する雷電界方向に直交するように、言い換えると、電極表面の法線方向がほぼ鉛直方向になるように、受信アンテナ１を配置する。

電子回路部５は、第１および第２電極１１，１２間に発生する電圧を検知し、検知した電圧を示す出力信号を出力する。信号線部２０は、第１および第２信号線２１，２２を覆う遮蔽導体２４を有する遮蔽ケーブル２３を備えており、第１信号線２１は第１電極１１と電子回路部５とを接続し、第２信号線２２は第２電極１２と電子回路部５とを接続している。遮蔽ケーブル２３の遮蔽導体２４は接地されている。信号線部２０は、信号電圧を平衡伝送するとともに、伝送する信号の基準電位を確保する。

電子回路部５は、信号線部２０を経由して平衡伝送された信号の帯域制限を行うことによって、受信帯域を制限するためのフィルタ３０と、フィルタ３０の出力を差動増幅する差動増幅器４０とを備えている。差動増幅器４０の出力が、電子回路部５の出力信号となる。この出力信号から、例えば信号処理等によって、実用的な信号を取得し、これを例えば雷予知に活かすことができる。

図２は本実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例である。図２において、受信アンテナ１は、静電容量Ｃ_０によって表されている。また、遮蔽ケーブル２３は、第１および第２信号線２１，２２とグラウンドとの間にある静電容量Ｃ_ｃによって表されている。図２では、遮蔽ケーブル２３の遮蔽導体２４は、フィルタ３０の共通電位端子、および、後述する差動増幅器４０の参照電圧端子ｒｅｆと共通に、接地されている。これにより、第１および第２電極１１，１２の電圧信号が電子回路部５に伝送される際のノイズ耐性が強化されている。

フィルタ３０は、第１信号線２１と接続されたＣＲ構成の第１フィルタ回路３１と、第２信号線２２と接続されたＣＲ構成の第２フィルタ回路３２とを備えている。ここで、ＣＲ構成とは、容量素子（Ｃ）と抵抗素子（Ｒ）とを備えた構成のことをいう。図２では、第１フィルタ回路３１は、直列に接続された容量素子Ｃ_１および抵抗素子Ｒ_１と、他の抵抗素子Ｒ_１とが並列に接続された構成になっている。第２フィルタ回路３２も第１フィルタ回路３１と同様の構成である。容量素子Ｃ_１の容量値、および抵抗素子Ｒ_１の抵抗値を適宜設定することによって、第１および第２フィルタ回路３１，３２の時定数を所望の値に設定することができる。例えば、可変容量素子や可変抵抗素子を用いることによって、時定数を調整可能なように、フィルタを構成することができる。あるいは、容量素子や抵抗素子を交換可能な構成にすることによって、時定数を設定可能なように、フィルタを構成することができる。なお、フィルタ回路の構成は、ここで示したものに限られるものではない。

差動増幅器４０は、オペアンプ４１を備えている。オペアンプ４１は、第１フィルタ回路３１の出力を反転入力として受けるとともに、第２フィルタ回路３２の出力を非反転入力として受ける。すなわち、差増増幅器４０は、第１および第２フィルタ回路３１，３２の出力を差動入力として受け、増幅する。差動増幅器４０の参照電圧端子ｒｅｆは接地されている。また、オペアンプ４１は、利得調整を行うための利得設定抵抗Ｒ_Ｇが付加されている。

このような構成によって、大気電界Ｅａによって受信アンテナ１の第１および第２電極１１，１２間に発生した電圧が、信号線部２０を経由して電子回路部５に平衡伝送され、フィルタ３０によって信号帯域が制限されてから、差動信号として差動増幅器４０によって増幅される。これにより、回転部を必要とせず、極めて簡易な構成によって、大気電界を精度良く測定することができる。

図３Ａおよび図３Ｂは受信アンテナ１の電極形状の例である。図３Ａでは、円形の誘電体１３の表面に、平面形状が円形状の第１電極１１が設けられている。なお図３Ａでは図示を省略しているが、誘電体１３の裏面にも、第１電極１１と同一形状の第２電極１２が設けられている（図３Ｂも同様）。図３Ｂでは、円形の誘電体１１の表面に、平面形状が、円環状の第１電極１１が設けられている。なお、受信アンテナにおける電極形状は、その他にも様々なものが考えられる。例えば、方形状であってもよいし、六角形等の多角形状であってもよい。あるいは、複数の電極片が電気的に接続された形状であってもよい。また、図３Ｂにおいて、円環状の代わりに、例えば、多角形の環状であってもよいし、電極の内縁と外縁の形状が異なっていてもよい。あるいは、環状の一部に切れ目が入っていてもよい。また、第１電極１１および第２電極１２は、互いに同一形状であり等面積であることが好ましいが、必ずしもこれに限られるものではない。

図４は受信アンテナ１の形状の一例を詳細に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図４の受信アンテナ１は、円形の板状誘電体１３の中央部に孔１４が形成されている。そして、誘電体１３の両面に設けられた第１および第２電極１１，１２は、平面視において、孔１４を囲うように円環状に形成されている。なお、図４において、円環状の代わりに、例えば、多角形の環状であってもよいし、電極の内縁と外縁の形状が異なっていてもよい。あるいは、環状の一部に切れ目が入っていてもよい。

図５は本実施形態に係る大気電界検出装置の外観構成例を示す概略図である。図５では、設置した大気電界検出装置の縦断面構造を模式的に示している。図５の構成では、受信アンテナ１は、図４に示すように、中央部に孔１４が形成されているものとしている。そして、例えば基板上に構成された電子回路部５を収納するケース１５が、受信アンテナ１に形成された孔１４の中に位置するように設けられている。符号１６は受信アンテナ１を保護するための被覆部、符号１７は受信アンテナ１を支えるためのパイプである。

図５に示すように、孔１４が中央部に形成された受信アンテナ１を用いることによって、電子回路部５を受信アンテナ１の孔１４の部分に配置することができる。これにより、大気電界検出装置をコンパクトに構成することができるとともに、大気電界の検出に対して電子回路部５の存在によって生じる影響を抑えて、より精度の高い測定を実現することができる。

なお、図５では、中央部に孔１４が形成されている受信アンテナ１を用いた装置構成を示したが、孔が空いていない受信アンテナ１を用いた構成においても、同様の効果を得ることができる。例えば図３Ｂの場合には、平面視において、すなわち、鉛直方向に見て、電子回路部５を収納するケース１５が、受信アンテナ１の中央部に位置するように配置すればよい。この構成でも、大気電界の検出に対して電子回路部５の存在によって生じる影響を抑えて、より精度の高い測定を実現することができる。なお、図３Ａの場合には、電子回路部５は、受信アンテナ１から十分に離して設置すればよい。

すなわち、電極１１，１２の平面形状を環状とし、平面視において、電子回路部５を、環状である電極１１，１２の中央部に位置するように配置することによって、大気電界の検出に対して電子回路部５の存在によって生じる影響を抑えて、より精度の高い測定を実現することができる。なお、ここでいう環状とは、円環状に限られるものではなく、例えば、多角形の環状であってもよいし、電極の内縁と外縁の形状が異なっていてもよい。あるいは、環状の一部に切れ目が入っていてもよい。

以上のように本実施形態によると、従来の回転電極型電界計のように回転機構を必要とすることなく、極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現することができる。すなわち、大気電界Ｅａによって受信アンテナ１の第１および第２電極１１，１２間に発生した電圧が、信号線部２０を経由して電子回路部５に平衡伝送され、フィルタ３０によって信号帯域が制限されてから、差動信号として差動増幅器４０によって増幅される。また、信号線部２０の遮蔽導体２４は、フィルタ３０の接地端子や差動増幅器４０の参照電圧端子ｒｅｆと共通に接地されているため、第１および第２電極１１，１２の電圧信号が電子回路部５に伝送される際のノイズ耐性が強化されている。また、第１および第２フィルタ回路３１，３２の周波数特性を設定または調整することができるので、大気電界検出を行う周波数帯域を容易に設定することができる。また、差動増幅器４０の出力電圧レベルを利得調整抵抗Ｒ_Ｇによって調整できるので、大気電界検出を行う周波数帯域に応じた利得調整が可能になる。

なお、落雷に至る雷雲電界では、極めて緩慢な電界変動や、瞬間的な高周波成分を含む電界変動が生じるので、これらを同時に検出できることが好ましい。本願発明者等の実験の結果、例えば図６のようなデータが得られた。図６のグラフは、フィルタ３０の時定数を２０秒、および、１ｍ秒に設定した場合における、出力電圧の周波数特性を示す。図６から分かるように、周期が数１０秒程度の極めて緩慢な電界変動から、周波数が１０ｋＨｚ程度の電界変動までを併せて検出することができた。このように本実施形態によって、回転電極型電界計に比べて広帯域の周波数特性を実現できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態では、大気電界検出装置は、大気電界を検出する測定系を２系統備えた構成とする。基本的な構成は第１実施形態と同様である。

図７は本発明の第２実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図７において、受信アンテナ２は、大気電界Ｅａを電圧に変換するものであり、板状誘電体１３を挟んで対向する第１電極１１Ａおよび第２電極１２Ａ、並びに、板状誘電体１３を挟んで対向する第３電極１１Ｂおよび第４電極１２Ｂを有している。受信アンテナ２は、ほぼ水平になるように設置される。すなわち、電極表面が、雷雲と大地との間に発生する雷電界方向に直交するように、言い換えると、電極表面の法線方向がほぼ鉛直方向になるように、受信アンテナ２を配置する。

電子回路部６は、第１および第２電極１１Ａ，１２Ａ間に発生する電圧を検知し、検知した電圧を示す出力信号Ａを出力する。また、電子回路部６は、第３および第４電極１１Ｂ，１２Ｂ間に発生する電圧を検知し、検知した電圧を示す出力信号Ｂを出力する。信号線部２５は、第１および第２信号線２１Ａ，２２Ａを覆う遮蔽導体２４Ａを有する遮蔽ケーブル２３Ａと、第３および第４信号線２１Ｂ，２２Ｂを覆う遮蔽導体２４Ｂを有する遮蔽ケーブル２３Ｂとを備えている。第１信号線２１Ａは第１電極１１Ａと電子回路部６とを接続し、第２信号線２２Ａは第２電極１２Ａと電子回路部６とを接続する。また、第３信号線２１Ｂは第３電極１１Ｂと電子回路部６とを接続し、第４信号線２２Ｂは第４電極１２Ｂと電子回路部６とを接続する。遮蔽ケーブル２３Ａ，２３Ｂの遮蔽導体２４Ａ，２４Ｂは接地されている。信号線部２５は、信号電圧を平衡伝送するとともに、伝送する信号の基準電位を確保する。

電子回路部６は、信号線部２５を経由して平衡伝送された信号の帯域制限を行うことによって、受信帯域を制限するためのフィルタ３０Ａ，３０Ｂと、フィルタ３０Ａ，３０Ｂの出力をそれぞれ差動増幅する差動増幅器４０Ａ，４０Ｂとを備えている。差動増幅器４０Ａ，４０Ｂの出力が、それぞれ、電子回路部６の出力信号Ａ，Ｂとなる。フィルタ３０Ａ，３０Ｂおよび差動増幅器４０Ａ，４０Ｂの回路構成は、例えば図２に示したものと同様である。すなわち、例えば、フィルタ３０Ａは、第１信号線２１Ａと接続されたＣＲ構成の第１フィルタ回路と、第２信号線２２Ａと接続されたＣＲ構成の第２フィルタ回路とを備えている。差動増幅器４０Ａは、第１フィルタ回路の出力を反転入力として受けるとともに、第２フィルタ回路の出力を非反転入力として受けるオペアンプを備えている。同様に、例えば、フィルタ３０Ｂは、第３信号線２１Ｂと接続されたＣＲ構成の第３フィルタ回路と、第４信号線２２Ｂと接続されたＣＲ構成の第４フィルタ回路とを備えている。差動増幅器４０Ｂは、第３フィルタ回路の出力を反転入力として受けるとともに、第４フィルタ回路の出力を非反転入力として受けるオペアンプを備えている。

そして、フィルタ３０Ａの時定数と、フィルタ３０Ｂの時定数とは、異なっている。すなわち、フィルタ３０Ａとフィルタ３０Ｂの時定数が互いに異なるように、各フィルタ回路の容量値や抵抗値が調整されている。これにより、第１実施形態と比べてより広い周波数帯域にわたって、電界変動を検出することができる。

図８Ａおよび図８Ｂは受信アンテナ２の電極形状の例である。図８Ａでは、円形の誘電体１３の表面に、平面形状が円環状の電極１１Ａと、電極１１Ａと同心の円形状の電極１１Ｂとが設けられている。なお図８Ａでは図示を省略しているが、誘電体１３の裏面にも、第１電極１１Ａと同一形状の第２電極１２Ａと、第３電極１１Ｂと同一形状の第４電極１２Ｂとが設けられている（図８Ｂも同様）。図８Ｂでは、円形の誘電体１１の表面に、平面形状が円環状の電極１１Ａと、電極１１Ａと同心の円環状の電極１１Ｂとが形成されている。なお、受信アンテナにおける２組の電極形状は、その他にも様々なものが考えられる。例えば、方形状であってもよいし、六角形等の多角形状であってもよい。あるいは、複数の電極片が電気的に接続された形状であってもよい。また、円環状の代わりに、例えば、多角形の環状であってもよいし、電極の内縁と外縁の形状が異なっていてもよい。あるいは、環状の一部に切れ目が入っていてもよい。

また、第１電極１１Ａおよび第２電極１２Ａは、互いに同一形状であり等面積であることが好ましく、第３電極１１Ｂおよび第４電極１２Ｂは、互いに同一形状であり等面積であることが好ましいが、必ずしもこれに限られるものではない。また、第１および第２電極１１Ａ，１２Ａと、第３および第４電極１１Ｂ，１２Ｂとは、面積がほぼ等しいことが好ましい。これにより、広い周波数帯域において、電界検出特性を安定させることが容易になる。

図９は本実施形態に係る大気電界検出装置の外観構成例を示す概略図である。図９では、設置した大気電界検出装置の縦断面構造を模式的に示している。図９の構成では、受信アンテナ２は、図８Ｂに示すような構造であり、かつ、中央部に孔１４が形成されているものとしている。図５の構成と同様に、例えば基板上に構成された電子回路部６を収納するケース１５が、受信アンテナ２に形成された孔１４の中に位置するように設けられている。また、図５と同様に、符号１６は受信アンテナ２を保護するための被覆部、符号１７は受信アンテナ２を支えるためのパイプである。

図９に示すように、孔１４が中央部に形成された受信アンテナ２を用いることによって、電子回路部６を受信アンテナ２の孔１４の部分に配置することができる。これにより、大気電界検出装置をコンパクトに構成することができるとともに、大気電界の検出に対して電子回路部６の存在によって生じる影響を抑えることができる。

なお、図８では、中央部に孔１４が形成されている受信アンテナ２を用いた装置構成を示したが、孔が空いていない受信アンテナ２を用いた構成においても、同様の効果を得ることができる。すなわち、平面視において、すなわち、鉛直方向に見て、電子回路部５を収納するケース１５が、受信アンテナ２の中央部に位置するように配置すればよい。この構成でも、大気電界の検出に対して電子回路部６の存在によって生じる影響を抑えて、より精度の高い測定を実現することができる。

以上のように本実施形態によると、第１実施形態と同様に、従来の回転電極型電界計のように回転機構を必要とすることなく、極めて簡易な構成によって、信頼度が高く、安定した動作が可能な、大気電界検出装置を実現することができる。さらに、大気電界を検出する測定系が２系統設けられたので、より広い周波数帯域において、電界変動を検出することができる。

なお、本願発明者らの実験の結果、フィルタ３０Ａの時定数を１０秒程度に調整し、フィルタ３０Ｂの時定数を１／１０００秒程度に調整することによって、周期が数１０秒程度の極めて緩慢な電界変動から、周波数が１００ｋＨｚ程度の高速電界変動までを検出することができた。このように本実施形態によって、同一測定箇所での同一状態における広帯域の電界変動を容易に検出することができる。すなわち、晴天時の地上電界は０．１ｋＶ／ｍの直流電界であるが、雷雲電荷が不安定な雷雨時になると直流成分に交流成分が加わり電界振幅は晴天時の１０倍程度に増加し、さらに落雷時の地上電界は落雷の端緒となる上下方向リーダの同時発現により、直流成分に交流成分と高周波成分までも加わるため，最大振幅は２０ｋＶ／ｍに到達することもある。このような振幅変動幅が２００倍程度で直流から高周波成分までを含む地上付近の大気電界の受信が本実施形態によって可能となる。

（第３実施形態）
図１０は本発明の第３実施形態に係る大気電界検出装置の基本構成を示す図である。図１０の構成は、図１の構成において、直流大気電界（ＤＣ−ＡＥＦ）を検出可能にするものであり、電子回路部５Ａの前段にＤＣ／ＡＣ変換回路５０が縦続接続されている。図１０において、図１と共通の構成要素には図１と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。

電子回路部５Ａは、信号線部２０を経由して平衡伝送された信号におけるＤＣ信号成分を、所定周波数のＡＣ信号成分に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路５０と、ＤＣ／ＡＣ変換回路５０の出力信号に対して周波数弁別を行う帯域フィルタ６０と、帯域フィルタ６０の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器４０とを備えている。帯域フィルタ６０は、ＤＣ／ＡＣ変換回路５０において変換がなされる所定周波数を含む、所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成されている。第１実施形態と同様に、差動増幅器４０の出力が、電子回路部５Ａの出力信号となる。この出力信号から、例えば信号処理等によって、実用的な信号を取得し、これを例えば雷予知に活かすことができる。

図１１は本実施形態に係る大気電界検出装置の回路構成例である。図１１において、図２と共通の構成要素には図２と同一の符号を付しており、ここではその詳細な説明を省略する。ＤＣ／ＡＣ変換回路５０は、受信電荷の減衰を抑制するためのバッファアンプ５１Ａ，５１Ｂ，５２Ａ，５２Ｂと、容量値Ｃｖを変動させることが可能な３端子構成のキャパシタである３端子可変キャパシタ５３と、直流電荷の蓄積に起因した差動増幅器４０への過電圧入力を回避するための放電回路５４とを備える。帯域フィルタ６０は、第１信号線２１側に設けられた第１バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６１と、第２信号線２２側に設けられた第２バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６２とを備えている。第１および第２ＢＰＦ６１，６２は、例えば、可変容量素子と可変抵抗素子とを用いたＣＲ構成とすればよい。

図１２は３端子可変キャパシタ５３の構成の一例である。図１２の例では、３端子可変キャパシタ５３は、固定電極ｅ１が第１信号線２１側に接続されており、固定電極ｅ２が第２信号線２２側に接続されている。固定電極ｅ１，ｅ２の間に補助電極ｅ３が設けられており、スイッチＳＷ１は、補助電極ｅ３と接地電極ｅｇとの接続／非接続を、開閉動作により切り替え可能に構成されている。すなわち、スイッチＳＷ１の開閉動作によって、補助電極ｅ３が電気的に接地電極ｅｇに接続されたり、接地電極ｅｇから切り離されたりする。ＤＣ／ＡＣ変換回路５０は、スイッチＳＷ１の開閉動作を所定周波数でもって繰り返し行うことによって、３端子可変キャパシタ５３の容量値をその周波数で変動させることができる。

なお、３端子可変キャパシタ５３の構成はここで示したものに限られるものではない。図１３は３端子可変キャパシタ５３の他の構成例である。例えば、図１３（ａ）に示すように、接地された振動電極を固定電極の間に設けて、この振動電極を固定電極に接触させることなく上下に振動させる構成としてもよい。あるいは、図１３（ｂ）に示すように、接地された振動電極を固定電極の間に設けて、この振動電極を固定電極に接触させることなく斜めに振動させる構成としてもよい。または、図１３（ｃ）に示すように、固定電極の間に、接地された振動電極と圧電素子とを設けて、圧電素子の制御によって、振動電極を固定電極に接触させることなく上下に振動させる構成としてもよい。ただし、図１２の構成は、図１３の構成例と比べると、固定電極ｅ１，ｅ２間にある補助電極ｅ３および接地電極ｅｇを振動させる必要がなく、補助電極ｅ３と接地電極ｅｇを静止させた状態でスイッチＳＷ１の開閉動作によって容量値を変動させることができる。したがって、動作がより安定した機構であり、長期間の連続測定に適している、といえる。

図１４は放電回路５４の構成の一例である。図１４の例では、放電回路５４は、オペアンプ５４ａ，５４ｂと、ＲＣ並列回路からなる負帰還回路５４ｃ，５４ｄとによって構成されている。

ＤＣ−ＡＣ変換回路５０は、ＤＣ−ＡＣＦ受信による直流電荷を、３端子可変キャパシタ５３を介して、所定周波数で変化する交流電圧（ＡＣ信号）に変換する。帯域フィルタ６０は、帯域制限により、不要ノイズを除去してこのＡＣ信号のみを通過させる。この場合の差動増幅器４０の出力から、直流大気電界を検出することができる。すなわち、本実施形態によると、変化のない電界や変化が非常に遅い電界についても、回転機構を必要とすることなく、極めて簡易な構成によって、検出することができる。また、帯域フィルタ６０による周波数弁別によって、他の周波数成分も併せて観測することができるので、交流大気電界（ＡＣ−ＡＥＦ）やパルス大気電界（ＰＵＬＳＥ−ＡＥＦ）も、直流大気電界とともに検出することができる。また、可変容量機構が３端子構成になっており、信号線部２０の平衡２線系と平衡構成での接続になっている。このため、不要誘起電圧の発生が抑制される。

図１５は上述した構成の実験装置を用いて得られた計測結果の一例を示すグラフである。図１５において、横軸は実験装置に印加した直流電界、縦軸は実験装置の出力である。なお、縦軸の出力は最初の出力値による規格化出力としている。３端子可変キャパシタ５３の容量値は、周波数１Ｈｚで変動させている。図１５から分かるように、本実験装置によって、印加した直流電圧に対して、ほぼ比例した出力が得られている。なお、図１５のデータは、低電界領域（２０Ｖ／ｃｍ以下）における直流電界の検出結果を示しているが、この低電界領域は、雷雲発生から確率雷発現までの直流大気電界の強さに対応するものであり、雷予測を行う上で重要な領域である。

（他の実施形態）
さらに、大気電界検出装置を、大気電界を検出する測定系を３系統以上備えた構成としてもよい。例えば、図１６のように、電極１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを３重の同心円環状に構成し、対向する電極の組それぞれについて、大気電界により発生する電圧を検出する回路構成を設ければよい。これにより、第２実施形態の装置構成で測定される周波数範囲と比べて、さらなる高周波領域を含む広い周波数領域において、大気電界を検出することができる。

本発明では、極めて簡易な構成によって、信頼度が高く安定した動作が可能な大気電界検出装置を実現できるので、例えば、本発明に係る装置を広範囲に３ヶ所以上定点配置した雷観測法により雷予測の精度向上が可能となる。また、電界センサ部は小型軽量であるため、高電圧機器周辺に任意配置して通電時の絶縁検査装置にも有用である。

１，２ 受信アンテナ
５，６ 電子回路部
５Ａ 電子回路部
１１，１１Ａ 第１電極
１１Ｂ 第３電極
１２，１２Ａ 第２電極
１２Ｂ 第４電極
１３ 板状誘電体
１４ 孔
１５ ケース
２０ 信号線部
２１，２１Ａ 第１信号線
２１Ｂ 第３信号線
２２，２２Ａ 第２信号線
２２Ｂ 第４信号線
２３，２３Ａ，２３Ｂ 遮蔽ケーブル
２４，２４Ａ，２４Ｂ 遮蔽導体
２５ 信号線部
３０，３０Ａ，３０Ｂ フィルタ
３１ 第１フィルタ回路
３２ 第２フィルタ回路
４０，４０Ａ，４０Ｂ 差動増幅器
４１ オペアンプ
５０ ＤＣ／ＡＣ変換回路
５３ ３端子可変キャパシタ
６０ 帯域フィルタ
Ｅａ 大気電界
Ｒ_Ｇ 利得調整抵抗
ｒｅｆ 参照電圧端子
ｅ１，ｅ２ 固定電極
ｅ３ 補助電極
ｅｇ 接地電極
ＳＷ１ スイッチ

Claims (9)

1. 板状誘電体を挟んで対向する第１および第２電極を有する受信アンテナと、
   前記第１および第２電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、
   前記第１電極と前記電子回路部とを接続する第１信号線、および、前記第２電極と前記電子回路部とを接続する第２信号線を有する信号線部とを備え、
   前記電子回路部は、
   前記第１信号線と接続されたＣＲ構成の第１フィルタ回路、および、前記第２信号線と接続されたＣＲ構成の第２フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するためのフィルタと、
   前記第１および第２フィルタ回路の出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備えている
   ことを特徴とする大気電界検出装置。
2. 請求項１記載の大気電界検出装置において、
   前記第１および第２電極は、平面形状が、円形状または円環状である
   ことを特徴とする大気電界検出装置。
3. 請求項１記載の大気電界検出装置において、
   前記信号線部は、前記第１および第２信号線を覆う遮蔽導体を有する遮蔽ケーブルを含み、
   前記遮蔽導体は、前記フィルタの共通電位端子、および、前記差動増幅器の参照電圧端子と共通に、接地されている
   ことを特徴とする大気電界検出装置。
4. 請求項１記載の大気電界検出装置において、
   前記第１および第２フィルタ回路は、時定数を設定可能なように、または調整可能なように、構成されている
   ことを特徴とする大気電界検出装置。
5. 請求項１記載の大気電界検出装置において、
   前記差動増幅器は、利得調整抵抗が付加されている
   ことを特徴とする大気電界検出装置。
6. 請求項１記載の大気電界検出装置において、
   前記受信アンテナは、前記板状誘電体を挟んで対向する第３および第４電極をさらに有しており、
   前記信号線部は、前記第３電極と前記電子回路部とを接続する第３信号線、および、前記第４電極と前記電子回路部とを接続する第４信号線をさらに備え、
   前記電子回路部は、
   前記第３信号線と接続されたＣＲ構成の第３フィルタ回路、および、前記第４信号線と接続されたＣＲ構成の第４フィルタ回路を有し、受信帯域を制限するための第２フィルタと、
   前記第３および第４フィルタ回路の出力を差動入力として受け、増幅する第２差動増幅器とを備えており、
   前記フィルタの時定数と、前記第２フィルタの時定数とは、異なっている
   ことを特徴とする大気電界検出装置。
7. 請求項６記載の大気電界検出装置において、
   前記第１および第２電極は、平面形状が、円環状であり、
   前記第３および第４電極は、平面視において、円環状である前記第１および第２電極の内側に設けられており、平面形状が、円形状または円環状である
   ことを特徴とする大気電界検出装置。
8. 板状誘電体を挟んで対向する第１および第２電極を有する受信アンテナと、
   前記第１および第２電極間に発生する電圧を検知するための電子回路部と、
   前記第１電極と前記電子回路部とを接続する第１信号線、および、前記第２電極と前記電子回路部とを接続する第２信号線を有する信号線部とを備え、
   前記電子回路部は、
   前記信号線部を経由して平衡伝送された信号におけるＤＣ信号成分を、所定周波数のＡＣ信号成分に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路と、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換回路の出力信号に対して、前記所定周波数を含む所定帯域の成分を通過させることが可能なように構成された帯域フィルタと、
   前記帯域フィルタの出力を差動入力として受け、増幅する差動増幅器とを備え、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換回路は、
   前記第１信号線と前記第２信号線との間に設けられており、容量値を変動可能に構成された３端子可変キャパシタを備え、前記３端子可変キャパシタの容量値を前記所定周波数でもって変動させる
   ことを特徴とする大気電界検出装置。
9. 請求項８記載の大気電界検出装置において、
   前記３端子可変キャパシタは、
   第１および第２固定電極と、
   前記第１および第２固定電極の間に設けられた補助電極と、
   前記第１および第２固定電極の間に設けられた接地電極と、
   前記補助電極と前記接地電極との接続／非接続を、開閉動作により、切り替え可能に構成されたスイッチとを備えたものである
   ことを特徴とする大気電界検出装置。

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