JP2018096833A

JP2018096833A - 大気電界検出装置

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Publication number: JP2018096833A
Application number: JP2016241351A
Authority: JP
Inventors: 大祐岡野; Daisuke Okano; 征紀廣岡; Masaki Hirooka; 健太郎今井; Kentaro Imai; 知央駒井; Tomoo Komai
Original assignee: Otowa Electric Co Ltd; Tokai University
Current assignee: Otowa Electric Co Ltd; Tokai University
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: JP6364584B2

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、対向する第１および第２電極１１，１２と、その間に設けられた基準電極１３とを有する。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。電子回路部５は、第１電極１１−基準電極１３間の電圧を積分する第１積分回路３１と、第２電極１２−基準電極１３間の電圧を積分する第２積分回路３２と、第１および第２積分回路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、対向する第１および第２電極と、前記第１および第２電極間に設けられた基準電極と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、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、および、前記基準電極と前記電子回路部とを接続する基準電位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信号線と前記基準電位線との間の電圧を積分する第１積分回路と、前記第２信号線と前記基準電位線との間の電圧を積分する第２積分回路と、前記第１および第２積分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、受信アンテナは３極構造となっている。大気電界によって受信アンテナの、第１電極と基準電極間、および、第２電極と基準電極間に発生した電圧信号が、それぞれ、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送される。電子回路部において、第１電極と基準電極間の電圧信号が第１積分回路によって積分され、第２電極と基準電極間の電圧信号が第２積分回路によって積分され、第１および第２積分回路の出力が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。

また、３極構造の受信アンテナと電子回路部との間で、基準電位線を介して、共通の基準電位が維持・確保されているので、大気電界検出装置を設置する際に必ずしもアースをとる必要がない。このため、容易に可搬型の大気電界検出装置とすることができる。

そして、前記第１および第２電極、並びに、前記基準電極は、互いに平行に設けられた平板によってそれぞれ構成されている、としてもよい。

さらに、前記受信アンテナは、前記基準電極と接続されており、かつ、前記平板の法線方向を軸方向としたとき、前記第１および第２電極をその周方向において囲うように構成された、シールド部を備えている、としてもよい。

また、前記第１および第２電極、並びに、前記基準電極は、半球状に構成されている、としてもよい。

また、前記電子回路部は、前記第１積分回路の出力線と接続されたＣＲ構成の第１フィルタ回路、および、前記第２積分回路の出力線と接続された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を備えた、としてもよい。

これにより、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、前記基準電位線の一部を構成している、としてもよい
これにより、受信アンテナから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。

本発明の別の態様では、大気電界検出装置は、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信号線と接地線との間の電圧を積分する第１積分回路と、前記第２信号線と前記接地線との間の電圧を積分する第２積分回路と、前記第１および第２積分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信号が、それぞれ、信号線部を経由して電子回路部に平衡伝送される。電子回路部において、第１電極と接地間の電圧信号が第１積分回路によって積分され、第２電極と接地間の電圧信号が第２積分回路によって積分され、第１および第２積分回路の出力が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。

本発明の別の態様では、大気電界検出装置は、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る。そして、前記ＤＣ／ＡＣ変換回路は、第１および第２入力端子と第１および第２出力端子とを有し、前記第１および第２入力端子が前記第１および第２信号線とそれぞれ接続されており、前記第１および第２出力端子間の容量値を変動可能に構成された４端子可変キャパシタと、前記４端子可変キャパシタの前記第１出力端子と接地線との間の電圧を積分する第１積分回路と、前記４端子可変キャパシタの前記第２出力端子と前記接地線との間の電圧を積分する第２積分回路とを備え、前記４端子可変キャパシタの前記第１および第２出力端子間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４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。また、４端子可変キャパシタを用いることによって、直流電界検出とともに、電界の極性判別が可能になる。

そして、前記４端子可変キャパシタは、前記第１出力端子に接続された振動電極と、前記第２出力端子に接続された固定電極とを備え、前記振動電極を振動させることによって、前記第１および第２出力端子間の容量値を変動可能なように構成されている、としてもよい。

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積分回路の構成要素の代替例受信アンテナの構成の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図受信アンテナの構成の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図実験結果の一例を示すグラフフィルタを備えた電子回路部の構成例受信アンテナの他の構成の例を示す断面図第２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（ａ）〜（ｄ）は図１１の回路構成に用いられる４端子可変キャパシタの構成例

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、３極構造になっている。すなわち、受信アンテナ１は、対向する第１電極１１および第２電極１２と、第１電極１１と第２電極１２との間に設けられた基準電極１３とを有している。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、基準電極１３と接続されており、また、電子回路部５と接続されている。すなわち、遮蔽導体２４は、基準電極１３と電子回路部５とを接続する基準電位線２５の一部を構成している。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、第１信号線２１と基準電位線２５との間の電圧を積分する第１積分回路３１と、第２信号線２２と基準電位線２５との間の電圧を積分する第２積分回路３２と、第１および第２積分回路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と基準電位線２５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、基準電極１３、第１および第２積分回路３１，３２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、受信アンテナ１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。

第１および第２積分回路３１，３２は、同様の回路構成からなる。第１積分回路３１は、オペアンプ３１ａを備えている。オペアンプ３１ａは、反転入力が第１信号線２１と抵抗Ｒ_ｓを介して接続されており、非反転入力が基準電位線２５と抵抗Ｒ_ｂを介して接続されている。また、反転入力と出力との間に、抵抗Ｒ_ｄおよび容量Ｃ_ｓが並列に接続されている。第２積分回路３２は、オペアンプ３２ａを備えている。オペアンプ３２ａは、反転入力が第２信号線２２と抵抗Ｒ_ｓを介して接続されており、非反転入力が基準電位線２５と抵抗Ｒ_ｂを介して接続されている。また、反転入力と出力との間に、抵抗Ｒ_ｄおよび容量Ｃ_ｓが並列に接続されている。

なお、抵抗Ｒ_ｄは時定数調整と放電機能の役割を持っている。例えば、時定数を大きくしてＤＣオフセット電圧が発生する場合には、第１および第２積分回路３１，３２において、部分Ｘの構成を、図３に示すようなＴ型ネットワーク構成としてもよい。

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積分回路３１の出力を反転入力として受けるとともに、第２積分回路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積分回路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、基準電位線２５と接続され、かつ、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電極１１と基準電極１３間、および、第２電極１２と基準電極１３間に発生した電圧が、それぞれ、信号線部２０を経由して電子回路部５に平衡伝送される。電子回路部５において、第１電極１１と基準電極１３間の電圧信号が第１積分回路３１によって積分され、第２電極１２と基準電極１３間の電圧信号が第２積分回路３２によって積分され、第１および第２積分回路３１，３２の出力が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４は受信アンテナ１の電極形状の例であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図４の例では、第１および第２電極１１，１２並びに基準電極１３は、互いに平行に設けられた平板によってそれぞれ構成されており、支持部１４によって互いに絶縁状態で支持されている。第１および第２電極１１，１２の平面形状は円形であり、互いに同一形状であり等面積である。基準電極１３の平面形状も円形であり、平面視で、第１および第２電極１１，１２と同心であり、第１および第２電極１１，１２よりも径が大きくなっている。

図５は受信アンテナ１の電極形状の他の例であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図５の例では、図４の例と同様に、第１および第２電極１１，１２並びに基準電極１３は、互いに平行に設けられた平板によってそれぞれ構成されており、支持部１４によって互いに絶縁状態で支持されている。第１および第２電極１１，１２の平面形状は円形であり、互いに同一形状であり等面積である。基準電極１３の平面形状も円形であり、平面視で、第１および第２電極１１，１２と同心であり、第１および第２電極１１，１２よりも径が大きくなっている。

図５の受信アンテナ１はさらに、基準電極１３と接続されたシールド部１５を備えている。シールド部１５は、第１および第２電極１１，１２並びに基準電極１３を構成する平板の法線方向を軸方向としたとき、第１および第２電極１１，１２をその周方向において囲うように構成されている。

図４の受信アンテナ１は、鉛直方向に対して斜め方向の電界を受信できる。このため、雷雲周辺（例えば１０ｋｍ超）での電界検出が可能であり、中距離の落雷予測に有効である。一方、図５の受信アンテナ１は、鉛直方向の電界のみを受信できる。このため、雷雲直下（例えば１０ｋｍ以内）での電界検出が可能であり、近距離の落雷予測に有効である。

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、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。また、基準電極１３は、第１および第２電極１１，１２とは異なる形状であってもかまわない。

図６は本願発明者等の実験の結果得られたデータの一例である。図６において、横軸は試験的に印加した電界の強度、縦軸は本実施形態に係る大気電界検出装置の出力である。落雷に至る雷雲電界では、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が、図６から、電界変動の周波数に拘わらず、電界強度に対してリニアな出力が得られていることが分かる。

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電極１１と基準電極１３との間、および、第２電極１２と基準電極１３との間に発生した電圧信号が、それぞれ、信号線部２０を経由して電子回路部５に平衡伝送される。電子回路部５において、第１電極１１−基準電極１３間の電圧信号が第１積分回路３１によって積分され、第２電極１２−基準電極１３間の電圧信号が第２積分回路３２によって積分され、第１および第２積分回路３１，３２の出力が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。また、３極構造の受信アンテナ１と電子回路部５との間で、基準電位線２５を介して、共通の基準電位が維持・確保されているので、大気電界検出装置を設置する際にアースをとる必要がない。このため、容易に可搬型の大気電界検出装置とすることができる。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。

（変形例）
図７に示すように、第１および第２積分回路３１，３２と差動増幅器４０との間に、受信帯域を制限するためのフィルタ５０を設けてもよい。フィルタ５０は、第１積分回路３１の出力線と接続されたＣＲ構成の第１フィルタ回路５１と、第２積分回路３２の出力線と接続されたＣＲ構成の第２フィルタ回路５２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７では、第１フィルタ回路５１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５２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５１，５２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。すなわち、第１および第２フィルタ回路５１，５２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。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。

また、上述した実施形態では、受信アンテナ１の各電極１１，１２，１３は、互いに並行に設けられた平板によってそれぞれ構成されているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、図８は受信アンテナの電極の他の構成例を示す断面図である。図８の構成では、受信アンテナ１Ａは半球状に構成されている。すなわち、第１電極１１Ａ、第２電極１２Ａおよび基準電極１３Ａはそれぞれ、半球状に構成されており、支持部１４によって互いに絶縁状態で支持されている。図８の受信アンテナ１Ａは、ほぼ全方向からの電界を受信できる。このため、雷雲周辺（例えば１０ｋｍ超）での電界検出が可能であり、例えばビル群空間に設置するのに有用である。

（第２実施形態）
第１実施形態では、受信アンテナ１は３極構造であるものとした。ただし、上述した回路構成は、２極構造の受信アンテナにも適用可能である。

図９は本発明の第２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である。図９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、２極構造になっている。すなわち、受信アンテナ２は、対向する第１電極１１および第２電極１２を有している。電子回路部５の回路構成は図７と同様である。すなわち、電子回路部５において、第１積分回路３１は第１信号線２１と接地線との間の電圧を積分する。第２積分回路３２は第２信号線２２と接地線との間の電圧を積分する。差動増幅器４０は、第１および第２積分回路３１，３２の出力を差動入力として受け、増幅する。第１積分回路３１の出力線にＣＲ構成の第１フィルタ回路５１が接続されており、第２積分回路３２の出力線にＣＲ構成の第２フィルタ回路５２が接続されている。なお、第１実施形態と同様に、第１および第２フィルタ回路５１，５２は省いてもかまわない。

本実施形態によると、大気電界Ｅａによって受信アンテナ２の第１および第２電極１１，１２間に発生した電圧信号が、それぞれ、信号線部２０を経由して電子回路部５に平衡伝送される。電子回路部５において、第１電極１１と接地間の電圧信号が第１積分回路３１によって積分され、第２電極１２と接地間の電圧信号が第２積分回路３２によって積分され、第１および第２積分回路３１，３２の出力が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。

（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、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６０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６０と、ＤＣ／ＡＣ変換回路６０の出力信号に対して周波数弁別を行う帯域フィルタ７０と、帯域フィルタ７０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７０は、ＤＣ／ＡＣ変換回路６０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６０は、受信電荷の減衰を抑制するためのバッファアンプ６１，６２と、入力端子Ｎ１，Ｎ２と出力端子Ｎ３，Ｎ４とを有する４端子構成のキャパシタである４端子可変キャパシタ６３と、第１および第２積分回路６４，６５とを備える。４端子可変キャパシタ６３は、出力端子Ｎ３，Ｎ４間の容量値Ｃｖを変動させることが可能なように構成されている。第１積分回路６４は、４端子可変キャパシタ６３の出力端子Ｎ３と接地線との間の電圧を積分する。第２積分回路６５は、４端子可変キャパシタ６３の出力端子Ｎ４と接地線との間の電圧を積分する。帯域フィルタ７０は、第１積分回路６４の出力線側に設けられた第１バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７１と、第２積分回路６５の出力線側に設けられた第２バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７２とを備えている。第１および第２ＢＰＦ７１，７２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４端子可変キャパシタ６３の構成の一例である。図１２（ａ）〜（ｃ）の例では、４端子可変キャパシタ６３は、入力端子Ｎ１，Ｎ２がそれぞれ接続された電極同士の間に、出力端子Ｎ３に接続された振動電極と、出力端子Ｎ４に接続された固定電極とが設けられている。図１２（ａ）の例では、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いる。図１２（ｂ）の例では、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いる。図１２（ｃ）の例では、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いる。いずれも、振動電極を振動させることによって、出力端子Ｎ３，Ｎ４間の容量値を変動可能なように構成されている。また、図１２（ｄ）の例では、４端子可変キャパシタ６３は、入力端子Ｎ１，Ｎ２がそれぞれ接続された電極同士の間に、出力端子Ｎ３，Ｎ４にそれぞれ接続された固定電極が設けられており、固定電極間に誘電板が設けられている。誘電板は固定電極に接触することなく、固定電極と平行な方向に振動可能なように構成されている。

第１および第２積分回路６４，６５は、具体的には例えば、第１実施形態で示した第１および第２積分回路３１，３２と同様に構成すればよい。第１および第２積分回路６４，６５は、４端子可変キャパシタ６３の出力に対するスパイクノイズ吸収および受信電荷維持と、ＤＣオフセット電圧抑制機能とを有する。

ＤＣ−ＡＣ変換回路６０は、ＤＣ−ＡＥＦ受信による直流電荷を、４端子可変キャパシタ６３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７０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７０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、４端子可変キャパシタ６３を用いることによって、直流電界検出とともに、電界の極性判別が可能になる。

なお、本実施形態では、受信アンテナ１は３極構造であるものとしたが、上述した回路構成は、２極構造の受信アンテナにも適用可能である。この場合は、受信アンテナ１の基準電極１３と遮蔽導体２４との接続を省くだけでよい。

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。

１，１Ａ，２受信アンテナ
５，５Ａ電子回路部
１１，１１Ａ第１電極
１２，１２Ａ第２電極
１３，１３Ａ基準電極
１５シールド部
２０信号線部
２１第１信号線
２２第２信号線
２３遮蔽ケーブル
２４遮蔽導体
２５基準電位線
３１第１積分回路
３２第２積分回路
４０差動増幅器
５０フィルタ
５１第１フィルタ回路
５２第２フィルタ回路
６０ＤＣ／ＡＣ変換回路
６３４端子可変キャパシタ
６４第１積分回路
６５第２積分回路
７０帯域フィルタ
Ｅａ大気電界
Ｒ_Ｇ利得調整抵抗
Ｎ１，Ｎ２入力端子
Ｎ３，Ｎ４出力端子

Claims

対向する第１および第２電極と、前記第１および第２電極間に設けられた基準電極と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、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、および、前記基準電極と前記電子回路部とを接続する基準電位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信号線と前記基準電位線との間の電圧を積分する第１積分回路と、
前記第２信号線と前記基準電位線との間の電圧を積分する第２積分回路と、
前記第１および第２積分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。
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、並びに、前記基準電極は、互いに平行に設けられた平板によってそれぞれ構成されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
請求項２記載の大気電界検出装置において、
前記受信アンテナは、
前記基準電極と接続されており、かつ、前記平板の法線方向を軸方向としたとき、前記第１および第２電極をその周方向において囲うように構成された、シールド部を備えている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
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、並びに、前記基準電極は、半球状に構成されている
ことを特徴とする大気電界検出装置。
請求項１〜４のうちいずれか１項記載の大気電界検出装置において、
前記電子回路部は、
前記第１積分回路の出力線と接続されたＣＲ構成の第１フィルタ回路、および、前記第２積分回路の出力線と接続された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を備えた
ことを特徴とする大気電界検出装置。
請求項１〜５のうちいずれか１項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、前記基準電位線の一部を構成している
ことを特徴とする大気電界検出装置。
請求項１〜６のうちいずれか１項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。
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信号線と接地線との間の電圧を積分する第１積分回路と、
前記第２信号線と前記接地線との間の電圧を積分する第２積分回路と、
前記第１および第２積分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。
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、
第１および第２入力端子と第１および第２出力端子とを有し、前記第１および第２入力端子が前記第１および第２信号線とそれぞれ接続されており、前記第１および第２出力端子間の容量値を変動可能に構成された４端子可変キャパシタと、
前記４端子可変キャパシタの前記第１出力端子と接地線との間の電圧を積分する第１積分回路と、
前記４端子可変キャパシタの前記第２出力端子と前記接地線との間の電圧を積分する第２積分回路とを備え、
前記４端子可変キャパシタの前記第１および第２出力端子間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。
請求項９記載の大気電界検出装置において、
前記４端子可変キャパシタは、
前記第１出力端子に接続された振動電極と、
前記第２出力端子に接続された固定電極とを備え、
前記振動電極を振動させることによって、前記第１および第２出力端子間の容量値を変動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。