JP5660911B2 - 雷電流検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、被雷時に流れる電流およびそれを模擬する電流を検出するための雷電流検出センサに関する。

航空機においては、被雷時における安全対策に万全を期すことが要求される。航空機の主翼に被雷し大電流が流れる場合、翼の表面の翼面パネルどうしの連結部に、その一部、場合によっては全部が流れる。その電流値が各連結部における通過許容電流の限界値を超えると、電気アーク（あるいはサーマルスパーク）と呼ばれる放電が発生する。本現象は、主として導電材料からなる翼面パネルの連結部を瞬間的な大電流が流れることで、急激な温度上昇を生じ、結果として部材の溶融・蒸発により近傍大気中に放電が生じる現象と考えられる。同現象が発生すると、多くの場合、溶融部分からホット・パーティクルと言われる溶融物の飛散が発生する。
一般に翼の内部空間は燃料タンクを兼ねているため、この被雷時において、電気アークの発生を抑えるか、あるいは、そのアークを封止することによって、発生したアークの放電とそこから飛散するホット・パーティクルが可燃性の燃料蒸気に接触しないように対策する必要がある。

このため、本出願人は、電気アークを抑えるべく、様々な検討・提案を行っている。その検討過程で、被雷対策の有効性を確認するため、被雷時における電流の流れ方を評価する必要が生じた。

被雷時における電流の流れ方を評価するには、図７に示すように、被雷して電流Ａが流れた対象物１００に生じる磁界Ｍを、磁気検知センサ１で検出することで行う。
一般的な磁気検知センサとしては、例えば、帯状の導体を環状とした磁気検出コイルを用いるもの（例えば特許文献１参照。）や、薄膜フラックスゲートを用いるもの（例えば特許文献２参照。）があるが、これらは被雷時における電流の流れ方の評価用途には適さない。
すなわち、被雷時には、図８に示すように、ごく短時間に数十〜２００ｋＡ、４０〜５０ｋＶにも及ぶ高電流・高電圧が流れ、ノイズ混入が避けられないからである。雷電流を検知対象とした磁気検知センサとしては、高電流・高電圧に耐えうるものを用いる必要があり、特許文献１、２に記載の技術は、微小磁界の検知を目的としたものでありそのような用途を想定していない。

高電流・高電圧が流れると、周囲の電界との容量性結合によるノイズが混入し、電流変化による磁界のみを検出するのが困難となる。そこで、高電流・高電圧に耐える磁気検知センサ１として、例えば、図９に示すように、環状にループした芯線２を銅管３内に通し、銅管３と芯線２との間に絶縁材４を充填した、シールドループアンテナ５と称されるものが従来より一般的に用いられている。このようなシールドループアンテナ５では、銅管３および絶縁材４により電界に対するシールドが形成されることにより、電界による影響を避けることができる。

特開２００６−３４３１９６号公報 特表２００９−５３５６１６号公報

しかしながら、シールドループアンテナは、銅管３内に絶縁材４を介して芯線２が挿通された、いわゆる同軸管（セミリジッドケーブル）６からなる構成を有している。その場合、銅管３は、一般的に特殊なものを除き、外径２〜３ｍｍ程度のものが使用される。
検出感度を高めようとした場合、例えば図１０に示すように、同軸管６を複数回巻くのが一般であるが、ケーブル外形および曲率等の制限により小型化が困難である。結果として、磁界検出エリアがある程度の体積を必要とするため、微少エリアに限定した検出が難しく、設置場所や、設置密度が制限されることにより、検出分解能が低くなるという問題がある。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、被雷時の高電圧・高電流に耐えうる構成を有し、高感度かつ高分解能を有する雷電流検出センサを提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明は、被雷時に検出対象物に流れる雷電流を検出するための雷電流検出センサであって、絶縁性材料からなるコアと、コアの外周面に巻き回されたコイル部と、を備え、コイル部は、コアの周方向に複数回巻き回された絶縁被覆電線と、複数回巻き回された絶縁被覆電線をまとめて覆うシールドカバーと、を備え、シールドカバーは、コアの外周面に沿って周方向に設けられ、端部どうしが絶縁テープを介して重ね合わされた帯状のベーステープと、ベーステープ上の絶縁被覆電線を覆うように設けられ、端部どうしが絶縁テープを介して重ね合わされた帯状のカバーテープと、からなることを特徴とする。
このような雷電流検出センサにおいては、被雷時に検出対象物に雷電流が流れることで生じた磁界を、コイル部の絶縁被覆電線を構成する電線端部に生じる電圧として検出する。この電線は、絶縁被覆電線を構成する絶縁被覆に加え、シールドカバーによりシールドされているため、外部との容量性結合によるノイズの混入を低減し、磁界のみを検出することができる。
このとき、絶縁被覆電線が複数回巻き回されているため、高感度な検出が行える。しかも、複数回巻き回された絶縁被覆電線は、シールドカバーにより、まとめて覆われているため、同軸管のように磁気検出エリアが大きくなることを防ぎ、微少エリアにおける磁気検出を行える。このような用途からして、絶縁被覆電線は、線径が１ｍｍ以下であるものを用いるのが好ましい。上記については、通常のシールドループアンテナでは数ＧＨｚまでの帯域に及ぶ磁界検出を目的としているのに対して、雷電流に含まれる周波数成分は最大で１００ｋＨｚ程度であり、過剰な特性となっている。本発明を適用する計測におけるセンサおよび計測器間の距離は最大でも数ｍ以内を想定しており、計測系全体の大きさは同帯域の定在波波長より十分に短くケーブルインピーダンスの不整合の影響は小さいことから、十分に実用の範囲内であることを前提としている。

上記の雷電流検出センサは、絶縁性材料からなるベースと、ベースとコアとの間に挟み込まれ、ベースとコイル部との間に空隙を形成するスペーサと、をさらに備えることができる。
これらベースと、スペーサにより形成される空隙とにより、絶縁被覆電線の電線と被雷対象物との間の電気的な空隙を確実に確保することができる。したがって、そのシールド性はさらに高まり、磁気のみの検出をより確実に行うことができる。

さらに、ベースから上方に立ち上がる側板部と、側板部の上端からコアの上方を覆うように設けられる天板部とが、ベースと一体に設けられ、天板部に、絶縁被覆電線に接続された信号線が保持されている構成とすることもできる。これにより、信号線を被雷対象物から確実に離れた位置に保持することができ、この点からもノイズの混入を防止できる。

ここで、前記のベーステープとカバーテープは、それぞれ、導電性材料からなり、接地されている構成とすることができる。ベーステープおよびカバーテープには銅製のテープ材を用いるのが好ましい。

なお、上記したような雷電流検出センサは、航空機に限らず、他の様々なものにおける被雷時の電流検出に用いることができる。
さらに、本発明における「被雷」とは、実際の落雷に限らず、被雷時を模して高電流・高電圧を印加して試験等を行う場合を含んでいる。

本発明によれば、絶縁被覆電線を構成する絶縁被覆に加え、シールドカバーによりシールドされているため、容量結合を防ぎ、ノイズの混入を防いで磁気のみを検出することができ、検出感度を高めることができる。
さらに、ベース部と、スペーサにより形成される空隙とにより、絶縁被覆電線の電線と被雷対象物との間の電気的な空隙を確実に確保することで、シールド性をさらに高め、検出感度をより確実に高めることもできる。
また、複数回巻き回された絶縁被覆電線を、シールドカバーによりまとめて覆うため、微少エリアにおける磁気検出を行うことができ、分解能を高めることができる。

本実施の形態における雷電流検出センサの概略構成を示す斜視図である。 雷電流検出センサを、コイル部の連続する方向に直交する断面で見た立断面図である。 図２とは直交する方向からみた立断面図である。 （ａ）はコイル部の絶縁被覆電線を単層に巻いた例を示す断面図、（ｂ）は絶縁被覆電線を複層に巻いた例を示す断面図である。 ２次元の検出を行うための雷電流検出センサの概略構成を示す斜視図である。 実施例における検出結果を示す図である。 磁気センサによる雷電流の検出原理を示す図である。 被雷時における電流の時間変化の一例を示す図である。 シールドループアンテナの構成を示す図である。 シールドループアンテナを複数重に設けた場合の例を示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における雷電流検出センサ１０の構成を説明するための図である。
図１に示すように、雷電流検出センサ１０は、立方体状のコア１１と、コア１１の周方向に巻き付けるように設けられたコイル部２０と、コア１１を囲むように設けられたシールド部１２と、を有する。

コア１１は、アクリル、発泡スチロール等の絶縁材料により形成されており、一辺の長さを例えば２４〜４０ｍｍとすることができる。

図２、図３に示すように、コイル部２０は、コア１１の外表面に沿って巻き付けられた帯状のベーステープ２１と、ベーステープ２１の外周側に巻き付けられた絶縁被覆電線２２と、絶縁被覆電線２２を覆うように巻き付けられた帯状のカバーテープ２３と、を有する。

ベーステープ２１は、例えば帯状の銅テープを用いることができる。このようなベーステープ２１は、コア１１の下面において端部２１ａ、２１ｂどうしが、絶縁テープ２４を介して重ね合わされている。そして、ベーステープ２１は、図示しないＧＮＤ線により接地されている。

絶縁被覆電線２２は、銅線２２ａにポリウレタンやエナメル等の絶縁被覆２２ｂが施されたものであり、これを、ベーステープ２１の外周側に巻き付けたものである。このような絶縁被覆電線２２は、例えば直径０．２〜０．３ｍｍのものを用いるのが好ましい。
ここで、絶縁被覆電線２２は、コア１１の周囲に複数回巻き付けられることができ、必要に応じ、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、単層にも、多層に巻き付けることもできる。そして絶縁被覆電線２２は、コア１１から離間する方向に導出され、同軸ケーブルからなる信号線２５を介して図示しない計測装置に接続されている。

カバーテープ２３は、例えば帯状の銅テープを用いることができる。ベーステープ２１上の絶縁被覆電線２２を覆うカバーテープ２３は、その幅方向の両端部２３ｃ、２３ｄが、絶縁被覆電線２２の両側において、ベーステープ２１と接着材等により接合されている。このようなカバーテープ２３は、コア１１の下面において端部２３ａ、２３ｂどうしが、絶縁テープ２６を介して重ね合わされている。そして、カバーテープ２３は、図示しないＧＮＤ線により接地されている。
これにより、複数回巻き付けられた絶縁被覆電線２２は、ベーステープ２１とカバーテープ２３とからなるシールドカバーにより被覆されている。

図１に示したように、シールド部１２は、例えばコ字状をなしており、コイル部２０が巻き付けられたコア１１の底面１１ａ、側面１１ｂ、上面１１ｃを囲うように設けられている。このシールド部１２は、アクリル、発泡スチロール等の絶縁材料から形成することができる。
ここで、コア１１は、シールド部１２の底板部（ベース）１２ａに、例えば１０ｍｍといった所定の高さ（厚さ）を有したスペーサ１５を介して支持され、これによってコイル部２０とシールド部１２との間に空隙４０が形成されている。ここで、スペーサ１５は、例えばアクリル等の絶縁材料により形成することができる。
また、シールド部１２の側板部１２ｂ、天板部１２ｃも、コイル部２０との間に所定寸法の空隙４０が形成されている。

また、シールド部１２の天板部１２ｃには、信号線２５を保持する保持部１６が形成されている。

上記したような構成の雷電流検出センサ１０は、例えば航空機の主翼の表面上にシールド部１２の底板部１２ａを載せた状態にセットして用いられる。
このような雷電流検出センサ１０においては、コイル部２０の内側を通る磁界を絶縁被覆電線２２の銅線２２ａで検出することで、被雷時に主翼表面に沿って流れる雷電流を検知する。コイル部２０の絶縁被覆電線２２に接続された計測装置においては、絶縁被覆電線２２で検出する磁界の時間変化を誘導電圧として検知し、これによって被雷時に主翼表面に沿って流れる雷電流を計測するのである。

上述したような雷電流検出センサ１０によれば、複数回巻き付けた絶縁被覆線からなる絶縁被覆電線２２を、ベーステープ２１とカバーテープ２３により被覆することで、絶縁被覆電線２２を複数回巻き付けて高感度化を図った場合にも、その検出エリアを微少なものとすることができ、分解能を高めることができる。

しかも、磁気を検知する銅線２２ａは、絶縁被覆２２ｂ、ベーステープ２１およびカバーテープ２３に加え、絶縁体からなるシールド部１２、およびシールド部１２とコイル部２０との間に形成された空隙４０により、十分なシールド性を有し、高電流・高電圧に対しても、容量結合することなく高精度な検出を行える。

なお、上記したようなコイル部２０は、２次元、３次元に設けることもできる。図５は、コイル部２０を２次元に設けた例を示す。この図５に示すように、コイル部２０は、コア１１の周囲に、互いに直交する２方向に巻き付けて設ける。各コイル部２０の構成は上記したものと同様である。
コイル部２０を３次元に設ける場合には、コイル部２０を、コア１１の周囲に互いに直交する３方向に巻き付ければよい。
このような多次元のコイル部２０を備えた雷電流検出センサ１０においては、方向の異なる雷電流を同時に検出することが可能となり、より高い検出機能を有するものとなる。

なお、上記実施形態では、コイル部２０の絶縁被覆電線２２を多重に巻き付ける構成としたが、その巻き付け回数は何ら問うものではない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

さてここで、上記構成について実証実験を行ったのでその結果を示す。
ここで、上記したような構成の雷電流検出センサ１０は、一辺４ｃｍのコア１１に、絶縁被覆電線２２を１回だけ巻き付けた（１ターン）もの（実施例１）、絶縁被覆電線２２を１０回巻き付けたもの（実施例２）を用意した。
一方、比較のため、ベーステープ２１、カバーテープ２３、絶縁体からなるシールド部１２、およびシールド部１２とコイル部２０との間に形成された空隙４０といったシールド構造を備えていない構成のものを用意した。すなわち、一辺４ｃｍのコア１１の表面に、銅線のみを、ベーステープ２１、カバーテープ２３を用いずに１０回巻き付けた（比較例）。

上記のような実施例１、２、比較例の雷電流検出センサに対し、３ｋＡの模擬雷電流を流したときの、磁界強度と検出信号との関係を図６に示す。
この図６（ａ）に示すように、比較例では、雷電流の流れる方向に平行な方向の検出信号（磁束密度）が検出される一方、本来検出されない雷電流の流れる方向に直交する方向の検出信号も検出され、これがノイズ成分となる。これにより、Ｓ／Ｎ比が低くなる。
これに対し、図６（ｂ）に示すように、絶縁被覆電線２２を１回のみ巻き付けた構成においては、雷電流の流れる方向に平行な方向の検出信号が低くなっている。一方、雷電流が流れる方向と直交する方向の検出信号は検出されていない。
さらに、図６（ｃ）に示すように、絶縁被覆電線２２を複数回巻き付けた構成においては、雷電流の流れる方向に平行な方向の検出信号が高くなっている。一方、雷電流が流れる方向と直交する方向の検出信号は検出されていない。これにより、Ｓ／Ｎ比も高く、高い感度で検出が行えることが分かった。

１０…雷電流検出センサ、１１…コア、１２…シールド部、１２ａ…底板部（ベース）、１２ｂ…側板部、１２ｃ…天板部、１５…スペーサ、１６…保持部、２０…コイル部、２１…ベーステープ、２２…絶縁被覆電線、２２ａ…銅線、２２ｂ…絶縁被覆、２３…カバーテープ、２５…信号線、４０…空隙

Claims (5)

1. 被雷時に検出対象物に流れる雷電流を検出するための雷電流検出センサであって、
   絶縁性材料からなるコアと、
   前記コアの外周面に巻き回されたコイル部と、を備え、
   前記コイル部は、
   前記コアの周方向に複数回巻き回された絶縁被覆電線と、
   前記複数回巻き回された前記絶縁被覆電線をまとめて覆うシールドカバーと、
   を備え、
   前記シールドカバーは、
   前記コアの外周面に沿って周方向に設けられ、端部どうしが絶縁テープを介して重ね合わされた帯状のベーステープと、
   前記ベーステープ上の前記絶縁被覆電線を覆うように設けられ、端部どうしが絶縁テープを介して重ね合わされた帯状のカバーテープと、からなることを特徴とする雷電流検出センサ。
2. 絶縁性材料からなるベースと、
   前記ベースと前記コアとの間に挟み込まれ、前記ベースと前記コイル部との間に空隙を形成するスペーサと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の雷電流検出センサ。
3. 前記ベースから上方に立ち上がる側板部と、前記側板部の上端から前記コアの上方を覆うように設けられる天板部とが、前記ベースと一体に設けられ、
   前記天板部に、前記絶縁被覆電線に接続された信号線が保持されていることを特徴とする請求項２に記載の雷電流検出センサ。
4. 前記ベーステープおよび前記カバーテープは、それぞれ、導電性材料からなり、接地されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の雷電流検出センサ。
5. 前記絶縁被覆電線は、線径が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の雷電流検出センサ。

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