JP4516724B2

JP4516724B2 - 電界センサ用電極ユニット及び電界センサ

Info

Publication number: JP4516724B2
Application number: JP2003144760A
Authority: JP
Inventors: 誠影山
Original assignee: NEC Network and Sensor Systems Ltd
Current assignee: NEC Network and Sensor Systems Ltd
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: GB0411398D0; JP2004347453A; GB2401951B; GB2401951A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界センサに関するものであり、特に、海上及び海中を航行する船舶を検出するために海底又は海中に敷設される電界センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電界センサは、図６（ａ）に示すように、缶体Ａの内部に２つの電極ユニットＢ、Ｂが間隔を置いて対向するように配置されている。各電極ユニットＢは、図６（ｂ）に示すように、一端が開口した有底筒状のハウジングＣ内がイオン感応膜或いは多孔質膜（以下、まとめて「イオン感応膜Ｄ」と記す）によって仕切られ、ハウジングＣの底面Ｅとイオン感応膜Ｄとの間に電極設置空間Ｆが形成され、その電極設置空間Ｆ内に人工海水Ｇが充填されている。また、ハウジングＣの底面Ｅには電極Ｈが設置され、その電極Ｈは不図示の差動アンプに接続されている。さらに、ハウジングＣの開口部には、不図示の流入穴を備えたカバーＪが被せられており、該電界センサを海底又は海中に敷設すると、カバーＪに設けられた流入穴からカバーＪとイオン感応膜Ｄとの間に形成された海水流入空間Ｋ内に海水が流入する。
【０００３】
次に、上記構成を有する従来の電界センサによる船舶検知の原理を説明する。
一般的な船舶には、船体の腐食を発生させる電位を打ち消す電圧を船体に印加する電気防蝕装置が搭載されているので、船体の周囲の海水中に電界が発生し、海水中に電流が流れる。ここで、電解溶液である海水中（上記人工海水も含む）に発生した電界による電流の流れは、イオンの等価な移動となって現れる。従って、電界センサの近傍を船舶が通過すると、２つの電極ユニットＢ、Ｂの電極Ｈ間にその電極間距離に応じたイオン量の差が生じ、電極Ｈ間に電圧が発生する。そこで、両電極Ｈ間の電圧差を差動アンプによって増幅し、差動アンプの出力電圧を閾値と比較すれば、該電界センサのセンシングエリア内に船舶が存在するか否かが判断される（より詳しくは、特許文献１又は特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−２６０８８号公報
【特許文献２】
特開２０００−３０４５３３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の電界センサには次のような課題があった。
（１）海中に発生した電界の強度が同一の場合、両電極間に生じるイオン量の差が大きいほど、検出感度は高くなる。しかし、両電極間に生じるイオン量の差を大きくするには、電極間距離を大きくするか、電束と交差する電極の面積を拡大するしかなく、いずれにしても電界センサの大型化を招いてしまう。
（２）人工海水の濃度は一般的な海水の濃度に調整されているので、該電界センサ敷設場所の海水の濃度と一致しないことも多々ある。この場合、イオン感応膜によって隔てられた人工海水と周囲の海水との間に浸透圧が発生し、人工海水の濃度変化やイオン感応膜の目詰まりが生じ、人工海水のイオン伝達能力が低下する。このため、定期的に人工海水やイオン感応膜を交換又は清掃する必要がある。
（３）人工海水と周囲の海水との間に浸透圧が発生すると、人工海水中でイオンの移動が発生し、このイオンの移動に伴って電極間に電圧が発生してしまうことがある。この結果、実際には船舶が存在しないにもかかわらず、船舶が存在すると判断される虞がある。一方、このような誤った判断を防止するために上記閾値を高く設定すると、実際に船舶が存在するにもかかわらず、船舶が存在しないと判断されてしまう虞がある。
【０００６】
本発明の目的は、従来の電界センサと同程度の大きさか、それよりも小型でありながら感度及び精度が良好な電界センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電界センサ用電極ユニットは、海底又は海中に敷設され、２以上の電極間に生じた電圧差に基づいて海中の電界を検出する電界センサに用いられる電極ユニットであって、ハウジングの電極設置空間内に電極が設置され、前記電極が設置された前記電極設置空間が、海水よりも高い誘電率を有し、海中の電束を前記電極に向けて収束可能な誘電レンズによって水密に封止され、前記誘電レンズによって封止された前記電極設置空間内に電解溶液が充填されていることを特徴とする。従って、電束が誘電レンズによって電極に集約され、同一面積の電極を備えた他の電極ユニットに比べてより多くの電束が電極の表面と交差するので、より微弱な電界によっても電極に電圧が発生する。また、電極設置空間内に充填された電解溶液と周囲の海水とが誘電レンズによって遮断されるので、両者の間に浸透圧が発生することがなく、上述した電解溶液の濃度変化、イオン伝達能力の低下、イオンの移動に伴う誤判断などが発生する虞がない。
【０００８】
また、本発明の電界センサは、上記特徴を有する本発明の電極ユニットを備えている。従って、電極間距離及び電極の面積を従来の電界センサと同様か、それ以下としても、従来の電界センサと同等、又はそれ以上の検出感度及び検出精度を有する。また、部品の清掃や交換をすることなく、長期間に亙って所期の性能が維持される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電界センサの実施形態の一例を詳細に説明する。ここに示す電界センサは、海上を航行する船舶を検出するために海底又は海中に敷設される電界センサであって、図１に示すように、２つの電極ユニット１ａ、１ｂと、差動増幅部（差動アンプ）２と、比較部（比較器）３と、基準電圧発生回路４とが耐圧構造の缶体５内に設けられている。
【００１０】
各電極ユニット１ａ、１ｂは、図２に示すように、有底筒状のハウジング１０と、そのハウジング１０の電極設置空間１１内に配置された電極１２とを有している。電極設置空間１１は、ハウジング１０の開口部１３を水密に封止する誘電レンズ１４と、ハウジング１０の底面１５と、ハウジング１０の側面１６とによって形成されており、電極１２は、ハウジング１０の底面１５に不図示の樹脂マウントを介して固定され、誘電レンズ１４と対向している。また、電極１２が設置された電極設置空間１１内には電解溶液（人工海水）１７が充填され、電極１２が常に海水と直接接しているのと同一の状態が擬似的に形成されている。すなわち、電極１２と誘電レンズ１４とは物理的に接している。また、誘電レンズ１４の一部は外部に露出しており、該電界センサが海底又は海中に敷設されると、海水と物理的に接する。従って、該電界センサが海底又は海中に敷設されると、それぞれの電極ユニット１ａ、１ｂの電極１２は、誘電レンズ１４及び電解溶液１７を介して周囲の海水と電気的に導通する。
【００１１】
誘電レンズ１４は、海水による腐食が発生し難い金属（例えば、チタン合金）を光学系の凸レンズと同様の形状に加工したものであり、その誘電率ε１は、海水の誘電率ε２よりも大きい。ここで、電束は誘電率の大きなところに集まるという性質を有する。従って、図３に示すように、海水に接している誘電レンズ１４の一方の凸面１８から入射した電束は、誘電レンズ１４によって収束されて、他方の凸面１９から出射される。すなわち、図４（ａ）に示すように、誘電レンズ１４が接している海水中に電界が発生すると、その電束は、誘電レンズ１４の他方の凸面１９と対向している電極１２の表面（電束と交差する面）２０に向けて収束される。換言すれば、誘電レンズ１４を通過することによって電束が集約されるので、該誘電レンズ１４の他方の凸面１９側では、一方の凸面１８側に比べて電束密度が高くなる。
【００１２】
尚、誘電レンズ１４の材質は、海水よりも誘電率が高い材質であれば上記チタン合金に限定されるものではない。もっとも、金属製の誘電レンズ１４が腐食するとイオンが放出されるので、そのイオンの影響によって電極１２間に電圧が発生してしまう虞がある。そこで、誘電レンズ１４の材質は可及的に海水に対する耐久性が高い材質が望ましい。総じて、誘電レンズ１４の材質としては、海水による腐食が発生せず、高誘電率の材質が望ましく、かかる観点からはチタン系金属が現在時点において最適な材質である。
【００１３】
差動アンプ２には、各電極ユニット１ａ、１ｂの電極１２が接続されている。
従って、差動アンプ１２は、両電極１２間に発生した電圧の差に相当する電圧を所定レベルまで増幅して比較器３に出力する。比較器３は、差動アンプ２から入力された電圧と基準電圧発生回路４から入力された基準電圧（閾値）とを比較し、差動アンプ２から入力された電圧が基準電圧以上である場合に検出信号を出力する。
【００１４】
上記構造を有する電界センサでは次のようにして海上を航行する船舶が検出される。図５に示すように、電気防蝕装置が搭載されている船舶が海上を航行すると、その船舶の周囲の海中に電界が発生することは上述の通りである。海中に電界が発生すると、電極ユニット１ａ、１ｂの電極１２間にその電極間距離に応じたイオン量の差が生じ、両電極１２間に電圧が発生する。ここで、両電極ユニット１ａ、１ｂは、海中の電束を電極１２に向けて収束させる誘電レンズ１４を備えている（図２参照）。従って、図４（ａ）、（ｂ）を比較すると分かるように、電極１２と同一面積の電極５０を備えた他の電極ユニット５１に比べてより多くの電束が電極１２の表面と交差し、より微弱な電界によっても両電極１２間に電圧が発生する。両電極１２間に生じた電圧差は差動アンプ２によって増幅され、比較器３によって基準電圧発生回路４から入力された基準電圧と比較され、入力電圧が基準電圧以上である場合には比較器３から検出信号が出力される。以上によって、該電界センサのセンシングエリア内を航行する船舶が検出される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の電界センサ用電極ユニットは、電解溶液が充填されたハウジングの電極設置空間内に電極が配置され、その電極設置空間が、海水よりも高い誘電率を有し、海中の電束を電極に向けて収束させる誘電レンズによって封止さているので、次のような効果を有する。
（１）周囲に存在する電界が同一強度の場合、より多くの電束が電極の表面と交差する。従って、本発明の電極ユニットを用いて電界センサを実現すれば、より微弱な電界によっても２以上の電極間に電圧が発生するので、電界を検出感度が向上する。
（２）電極設置空間内に充填された電解溶液と周囲の海水とが誘電レンズによって遮断されているので、イオン感応膜によって電解溶液と周囲の海水とを隔てる従来例と異なり、両者の間に浸透圧が発生することがない。従って、電解溶液の濃度変化やイオン伝達能力の低下といった不都合が発生する虞がない。
（３）電解溶液と周囲の海水との間に浸透圧が発生しないので、電解溶液中でイオンの移動が発生することもない。従って、本発明の電極ユニットを用いた電界センサでは、上記イオンの移動に伴って２以上の電極間に電圧が発生することがない。
（４）少なくとも図６（ｂ）に示す従来の電極ユニットが備えているような海水流入空間Kが不要となるため、全長が約10 mm短縮された小型の電極ユニットが実現される。
【００１６】
本発明の電界センサは、２以上の電極ユニットの電極間に発生した電圧を閾値と比較し、発生した電圧が閾値以上である場合に検出信号を出力するものであって、上記電極ユニットが上記効果を有する本発明の電極ユニットである。従って、次のような効果を有する。
（１）２以上の電極ユニットの設置間隔（電極間距離）を広げたり、それぞれの電極ユニットの電極の面積を拡大したりしなくとも、十分な検出感度が確保される。また、電極ユニットの全長が約10mm短縮されれば、電界センサ全体の大きさを拡大することなく電極ユニットの配置間隔を約20mm拡大することができる。電極ユニットの配置間隔（電極間間隔）が20mm拡大された場合の感度向上は、20×log（30/28）＝0.6dBとなる。これらより、従来の電界センサと同程度の大きさ、或いはそれより小型でありながら検出感度の高い電界センサが実現される。
（２）各電極ユニットの電極設置空間内に充填されている電解溶液の濃度が変化したり、イオン伝達能力が低下したりといった不都合が発生する虞がない。従って、上記不都合を回避するために、定期的に電界センサを回収して電極ユニットを交換したり、清掃したりする必要がない。
（３）各電極ユニットの電極設置空間内に充填されている電解溶液中でイオンの移動が発生し、このイオンの移動に起因して両電極に電圧が発生することがない。従って、海中に電界が存在しないにも係らず検出信号が出力されるといった誤作動がなく、検出精度の高い電界センサが実現される。また、上記誤作動を防止するために、上記閾値を高く設定する必要もないので、検出感度が低下することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電界センサの概略を示すブロック図である。
【図２】本発明の電界センサ用電極ユニットの概略を示す模式的断面図である。
【図３】誘電レンズによる電束の収束原理を示す模式図である。
【図４】（ａ）は本発明の電極ユニットにおける電束の収束状態を示す模式図であり、（ｂ）は比較対象である他の電極ユニットを示す模式図である。
【図５】本発明の電界センサにより船舶の検出工程を示す模式図である。
【図６】（ａ）は従来の電界センサの概略を示すブロック図であり、（ｂ）は電界ユニットの概略を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１ａ電極ユニット
１ｂ電極ユニット
２差動アンプ
３比較器
４基準電圧発生回路
５缶体
１０ハウジング
１１電極設置空間
１２電極
１３開口部
１４誘電レンズ
１５底面
１６側面
１７電解溶液
１８凸面
１９凸面
２０表面

Claims

海底又は海中に敷設され、２以上の電極間に生じた電圧差に基づいて海中の電界を検出する電界センサに用いられる電極ユニットであって、ハウジングの電極設置空間内に電極が配置され、前記電極が配置された前記電極設置空間が海中の電束を前記電極に向けて収束可能な誘電レンズによって封止され、前記誘電レンズによって封止された前記電極設置空間内に電解溶液が充填され、
前記誘電レンズの材質はチタン系金属であって、該誘電レンズは、海水よりも高い誘電率を有し、かつ、電束が入射する第１の凸面と、前記第１の凸面から入射した電束が収束されて出射される第２の凸面とを有し、前記第２の凸面は前記電極と対向している電界センサ用電極ユニット。
船舶を検出するために海底又は海中に設置される電界センサに用いられる請求項１記載の電界センサ用電極ユニット。
海底又は海中に敷設され、２以上の電極間に生じた電圧差に基づいて海中の電界を検出する電界センサであって、間隔を置いて配置された複数の電極ユニットと、２以上の電極ユニットの電極間に発生した電圧差を増幅して出力する差動増幅部と、前記差動増幅部の出力を閾値と比較し、前記差動増幅部の出力が閾値以上である場合に検知信号を出力する比較部とを有し、前記各電極ユニットは、ハウジングの電極設置空間内に電極が配置され、前記電極が配置された前記電極設置空間が海中の電束を前記電極に向けて収束可能な誘電レンズによって封止され、前記誘電レンズによって封止された前記電極設置空間内に電解溶液が充填され、前記誘電レンズの材質はチタン系金属であって、該誘電レンズは、海水よりも高い誘電率を有し、かつ、電束が入射する第１の凸面と、前記第１の凸面から入射した電束が収束されて出射される第２の凸面とを有し、前記第２の凸面は前記電極と対向している電界センサ。
船舶を検出するために海底又は海中に設置される請求項３記載の電界センサ。