特許 7568990 誘雷システム及びその方法

(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】2024-10-08

(45)【発行日】2024-10-17

(54)【発明の名称】誘雷システム及びその方法

(51)【国際特許分類】

   H05F 3/04 20060101AFI20241009BHJP

   B64U 10/14 20230101ALI20241009BHJP

   B64U 10/60 20230101ALI20241009BHJP

【ＦＩ】

H05F3/04 F

B64U10/14

B64U10/60

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023565737

(86)(22)【出願日】2021-12-07

(86)【国際出願番号】 JP2021044954

(87)【国際公開番号】W WO2023105634

(87)【国際公開日】2023-06-15

【審査請求日】2024-05-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100129230

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 理恵

(72)【発明者】

【氏名】枡田 俊久

(72)【発明者】

【氏名】加藤 潤

(72)【発明者】

【氏名】丸山 雅人

【審査官】内田 勝久

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１６１２０４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００３３６２５（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１３８２６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８２９５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｆ １／００ － ７／００

Ｂ６４Ｕ １０／１４

Ｂ６４Ｕ １０／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ファラデーケージに内包された飛行体と、
前記ファラデーケージに内包され、前記飛行体に給電する給電部と、
前記ファラデーケージと、前記給電部に電力を供給する電力供給線の一方との間に接続される第１電圧依存スイッチと、
前記ファラデーケージと、前記電力供給線の他方との間に接続される第２電圧依存スイッチと、
前記電力供給線の地表側の端部に設けられる給電装置と、
前記給電装置の一方の出力端子と接地との間に接続される第３電圧依存スイッチと、
前記給電装置の他方の出力端子と接地との間に接続される第４電圧依存スイッチと
を備える誘雷システム。

【請求項2】

前記電力供給線の一方と他方との間に接続される第５電圧依存スイッチと、
前記出力端子の間に接続される第６電圧依存スイッチと
を備える請求項１に記載の誘雷システム。

【請求項3】

前記飛行体と前記ファラデーケージは、絶縁体を介して接続される
請求項１又は２に記載された誘雷システム。

【請求項4】

前記飛行体は、前記給電部から電気力線を介して給電される
請求項１乃至３の何れかに記載した誘雷システム。

【請求項5】

前記飛行体は、前記給電部からフィルタを介して給電される
請求項１乃至３の何れかに記載した誘雷システム。

【請求項6】

飛行体が雷を発生する上空の発雷点と地表の間を飛行し、
給電部が前記飛行体に給電し、
前記飛行体と前記給電部を内包するファラデーケージに着雷した雷サージを、前記給電部に電力を供給する電力供給線の一方との間に接続される第１電圧依存スイッチと、前記電力供給線の一方と接地との間に接続される第３電圧依存スイッチとを経由して接地に誘導し、
又は前記雷サージを、前記給電部に電力を供給する前記電力供給線の他方との間に接続される第２電圧依存スイッチと、前記電力供給線の他方と接地との間に接続される第４電圧依存スイッチとを経由して接地に誘導する誘雷方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘雷システム及びその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

気象の極端化に伴う多雷化時代を見据え、雷を制御し、人や設備への落雷被害をなくす技術の研究開発が行われている。

【0003】

その研究の一つとして、避雷針、及び一方の端部が接地された誘導線を具備するドローンを飛行させることにより、落雷を補足し安全に接地に導く研究が行われている（非特許文献１）。なお、ドローンの直撃雷に対する耐雷性を高める目的で、ドローンをファラデーゲージで覆う誘雷システムが提案されている（非特許文献２）。

【0004】

また、ドローンの稼働時間が短いという問題に対しては、地上から有線給電するドローンが販売されている（非特許文献３）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】［令和３年１１月１６日検索］、インターネット＜URL:https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/2011/20/news052.html＞

【文献】枡田俊久、他４名、「ドローンの耐雷性向上に関する基礎的検討」、電子情報通信学会、ソサイエティ大会、B-4-6,pp.179,2021

【文献】［令和３年１１月１６日検索］、インターネット＜URL:https://hovering.co.jp/unyo/aeroboonair/＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記の従来の技術を用いて、ドローンを常時給電しながら飛行させて雷を補足する場合に、雷サージによる電流がドローンと誘導線又は給電線を経由して流れ、ドローンが破損・落下してしまうという課題がある。

【0007】

本発明は、この課題を鑑みてなされたものであり、ドローンを常時給電しながら飛行させて雷を補足する場合に、ドローンを経由して流れる雷サージによる電流を抑制し、ドローンが破損・落下しないようにした誘雷システム及びその方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る誘雷システムは、ファラデーケージに内包された飛行体と、前記ファラデーケージに内包され、前記飛行体に給電する給電部と、前記ファラデーケージと、前記給電部に電力を供給する電力供給線の一方との間に接続される第１電圧依存スイッチと、前記ファラデーケージと、前記電力供給線の他方との間に接続される第２電圧依存スイッチと、前記電力供給線の地表側の端部に設けられる給電装置と、前記給電装置の一方の出力端子と接地との間に接続される第３電圧依存スイッチと、前記給電装置の他方の出力端子と接地との間に接続される第４電圧依存スイッチとを備えることを要旨とする。

【0009】

また、本発明の一態様に係る誘雷方法は、飛行体が雷を発生する上空の発雷点と地表の間を飛行し、給電部が前記飛行体に給電し、前記飛行体と前記給電部を内包するファラデーケージに着雷した雷サージを、前記給電部に電力を供給する電力供給線の一方との間に接続される第１電圧依存スイッチと、前記電力供給線の一方と接地との間に接続される第３電圧依存スイッチとを経由して接地に誘導し、又は前記雷サージを、前記給電部に電力を供給する前記電力供給線の他方との間に接続される第２電圧依存スイッチと、前記電力供給線の他方と接地との間に接続される第４電圧依存スイッチとを経由して接地に誘導することを要旨とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、飛行体（ドローン）を常時給電しながら飛行させて雷を補足する場合に、飛行体を経由して流れる雷サージによる電流を抑制し、飛行体が破損・落下しないようにした誘雷システム及びその方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態に係る誘雷システムの構成例を模式的に示す図である。

【図2】図１に示すファラデーケージと給電装置の間の接続関係を示す図である。

【図3】図２に示す接続関係の他の例を示す図である。

【図4】図１に示す誘雷システムが行う誘雷方法の処理手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

【0013】

図１は、本発明の実施形態に係る誘雷システムの構成例を模式的に示す図である。図１に示す誘雷システム１００は、飛行体（ドローン）を経由して流れる雷サージによる電流を抑制し、飛行体が破損・落下しないようにするものである。雷サージとは、落雷時に瞬間的に発生する有害な過電圧や過電流のことである。

【0014】

誘雷システム１００は、ファラデーケージ１０、飛行体２０、給電部３０、電力供給線４０（一方の供給線４１、他方の供給線４２）、及び給電装置５０を備える。

【0015】

ファラデーケージ１０は、導体に囲まれた空間、またはそのような空間を作り出すために用いられる導体製の籠や器などである。雷がファラデーケージに着雷すると、導体に囲まれたファラデーケージ１０の内部には電気力線が侵入できないため、外部の電場が遮られ、内部の電位は全て等しく保たれる。

【0016】

飛行体２０は、ファラデーケージ１０に内包され、該ファラデーケージ１０と共に雷を発生する発雷点１と地表２との間を飛行する。飛行体２０は、例えば２本の支柱１１でファラデーケージ１０に固定される。

【0017】

飛行体２０は、一般的にはドローンと称される無線飛行体であり、通常、地上のドローンパイロット（図示せず）の遠隔操作で飛行する。飛行体２０と、ドローンパイロットが操作するリモコン（図示せず）は無線で接続される。

【0018】

給電部３０は、ファラデーケージ１０に内包され、飛行体２０に給電する。飛行体２０に給電する電力は、電力供給線４０を介して地表２に配置された給電装置５０から供給される。

【0019】

給電部３０は、例えばワイヤレス給電で飛行体２０に電力を供給する。ワイヤレス給電は、送電コイル（図示せず）と受電コイル（図示せず）を磁界結合させて行う。送電コイルは給電部３０に内蔵され、受電コイルは飛行体２０に内蔵される。送電コイルと受電コイルは、例えば数ｃｍ程度離れて配置される。

【0020】

電力供給線４０は、地表２に配置された給電装置５０と給電部３０を接続し、給電装置５０から給電部３０に電力を供給する。電力供給線４０は、送電コイルに磁界を生じさせる交流（交番）電流を流す。交流電流は、電力供給線４０の一方の供給線４１から他方の供給線４２に、又は他方の供給線４２から一方の供給線４１に大きさと方向が周期的に変化する電流である。電力供給線４０の長さは、雷を発生する上空の発雷点１に飛行体２０を近づけられる程度の長さである。

【0021】

図２は、ファラデーケージ１０と給電装置５０の間の接続関係を示す図である。図２に示す左の端のブロック１０ｚは、ファラデーケージ１０のインピーダンスを表す。

【0022】

図２に示す下の端のブロック２０ｚは、ファラデーケージ１０に支柱１１（図１）で固定される飛行体２０のインピーダンスを表す。図１に示すように飛行体２０は、例えば２つの支柱１１でファラデーケージ１０に固定される。飛行体２０が内蔵する受電コイル２１は、給電部３０の送電コイル３３と対向する。

【0023】

図１に示すように給電部３０は、その筐体がファラデーケージ１０に接続されて固定される。給電部３０（筐体）の内部には、送電コイル３３が配置される。

【0024】

送電コイル３３の一端は、電力供給線４０の一方の供給線４１に接続される。送電コイル３３の他端は、電力供給線４０の他方の供給線４２に接続される。

【0025】

そして、一方の供給線４１と給電部３０の筐体は、ＧＤＴ（２電極ガス放電管）又はバリスタ等の第１電圧依存スイッチ３１を介して接続される。他方の供給線４２と給電部３０の筐体は、同様に第２電圧依存スイッチ３２を介して接続される。

【0026】

第１・第２電圧依存スイッチ３１，３２は、ある一定電圧で急に電流が流れ出す電圧－電流特性を持つ素子である。その一定電圧を、ファラデーケージ１０に着雷する雷の雷サージよりも低い値に設定する。

【0027】

送電コイル３３は、一方の供給線４１と他方の供給線４２を介して給電装置５０に接続される。供給線４１，４２のそれぞれのインピーダンス４１ｚ，４２ｚは、各供給線４１，４２の全体に分布する分布定数であるが、ここでは説明の都合により集中定数（ブロック４１ｚ，４２ｚ）で表現する。

【0028】

給電装置５０は、供給線４１，４２を介して送電コイル３３に交流電流を流す電源５１を備える。電源５１に接続される手前の供給線４１は、第３電圧依存スイッチ５２を介して接地される。同様に、電源５１に接続される手前の供給線４２は、第４電圧依存スイッチ５３を介して接地される。第３・第４電圧依存スイッチ５２，５３は、第１・第２電圧依存スイッチ３１，３２と同じものである。

【0029】

交流電流が流される送電コイル３３は、磁界を発生する。その磁界は受電コイル２１と磁界結合する。そうすると、受電コイル２１に電磁誘導により電力を伝達することができる。つまり、飛行体２０は、給電部３０から電気力線を介して給電される。その電力により、飛行体２０はプロペラを回転させて揚力を発生させて飛行する。

【0030】

この電磁結合方式による電力の伝達は一般的なものである。送電コイル３３と受電コイル２１の間は、数ｃｍ程度の空隙が設けられるので、ファラデーケージ１０から見たインピーダンスは、受電コイル２１側の方が第１・第２電圧依存スイッチ３１，３２側よりも大きくなる。

【0031】

ここで、ファラデーケージ１０に雷が着雷したと仮定する。すると、雷サージは、第１電圧依存スイッチ３１、インピーダンス４１ｚ、及び第３電圧依存スイッチ５２を介して接地に誘導される。又は、その雷サージは、第２電圧依存スイッチ３１、インピーダンス４２ｚ、及び第４電圧依存スイッチ５３を介して接地に誘導される。

【0032】

この結果、インピーダンス２０ｚで表される飛行体２０に、雷サージによる有害な過電圧が印加されない。よって、飛行体２０は雷サージによる損傷を免れる。

【0033】

なお、電源５１の各端子と各供給線４１，４２の間に接続されるフィルタ５５，５６は、雷サージの周波数成分を遮断する。雷の周波数成分を、例えば30MHzと仮定した場合、フィルタ５５，５６は、その周波数を阻止する帯域阻止フィルタで構成される。又は、電源５１が送電コイル３３に供給する交流電流の周波数が雷の周波数成分よりも低い場合は、30MHzよりも低い周波数を通過させる低域通過フィルタで構成してもよい。

【0034】

給電装置５０の内部で供給線４１，４２の間を接続する第５電圧依存スイッチ５４は、第１電圧依存スイッチ３１～第４電圧依存スイッチ５３と同じものであり、電源５１を保護するものである。

【0035】

給電部３０の内部で送電コイル３３に並列に接続される第６電圧依存スイッチ３４は、第５電圧依存スイッチ５４と同じものであり、送電コイル３３を保護するものである。

【0036】

雷サージは、第１電圧依存スイッチ３１と第３電圧依存スイッチ５２、又は第２電圧依存スイッチ３２と第４電圧依存スイッチ５３を介して接地に誘導される。したがって、フィルタ５５，５６、第５電圧依存スイッチ５４、及び第６電圧依存スイッチ３４は無くても構わない。

【0037】

飛行体２０とファラデーケージ１０は、絶縁体（図示せず）を介して接続するようにしてもよい。ファラデーケージ１０から飛行体２０側を見たインピーダンスを更に高めることができ、耐雷サージ性能を向上させることができる。

【0038】

（変形例）
図３は、ファラデーケージ１０と給電装置５０の接続関係の他の例を示す図である。図３は、図２に対して送電コイル３３と受電コイル２１が、フィルタ３５に変更されている点で異なる。

【0039】

図３に示すように、飛行体２０の飛行に必要な電力は、フィルタ３５を介して供給するようにしてもよい。フィルタ３５は、上記のフィルタ５５，５６と同様に雷サージの周波数成分を遮断するフィルタである。電力供給経路にフィルタ３５が介在することで、ファラデーケージ１０から見たインピーダンスは、飛行体２０側の方が第１・第２電圧依存スイッチ３１，３２側よりも大きくなる。

【0040】

よって、雷サージは、第１電圧依存スイッチ３１と第３電圧依存スイッチ５２、又は第２電圧依存スイッチ３２と第４電圧依存スイッチ５３を介して接地に誘導される。したがって、飛行体２０は雷サージによる損傷を免れる。

【0041】

以上説明したように、本実施形態に係る誘雷システム１００は、ファラデーケージ１０に内包された飛行体２０と、ファラデーケージ１０に内包され、飛行体２０に給電する給電部３０と、ファラデーケージ１０と、給電部３０に電力を供給する電力供給線４０の一方４１との間に接続される第１電圧依存スイッチ３１と、ファラデーケージ１０と、電力供給線４０の他方４２との間に接続される第２電圧依存スイッチ３２と、電力供給線４０の地表２側の端部に設けられる給電装置５０と、給電装置５０の一方の出力端子と接地との間に接続される第３電圧依存スイッチ５２と、給電装置５０の他方の出力端子と接地との間に接続される第４電圧依存スイッチ５３とを備える。これにより、飛行体２０（ドローン）を経由して流れる雷サージによる電流を抑制し、飛行体２０が破損・落下しない誘雷システムを提供することができる。

【0042】

（誘雷方法）
図４は、誘雷システム１００が行う誘雷方法の処理手順を示すフローチャートである。図４を参照して本実施形態に係る誘雷方法について説明する。

【0043】

誘雷システム１００は、ファラデーケージ１０に内包された飛行体２０を飛行させる（ステップＳ１）。飛行体２０は、地上の操作者による操作で飛行する。

【0044】

飛行体２０の飛行に必要な電力は、地上の給電装置５０から電力供給線４０を介して給電される（ステップＳ２）。給電は、飛行体２０が飛行中、常に継続される（ステップＳ３のＮＯ）。

【0045】

飛行中のファラデーケージ１０に雷が落ちる（ステップＳ３のＹＥＳ）と、一方の供給線４１の方に過大な雷サージが印加されると（ステップＳ４のＹＥＳ）、雷サージは第１電圧依存スイッチ３１と第３電圧依存スイッチ５２を介して接地に誘導される（ステップＳ５）。

【0046】

又は、他方の供給線４２の方に過大な雷サージが印加されると（ステップＳ４のＮＯ）、雷サージは第２電圧依存スイッチ３２と第４電圧依存スイッチ５３を介して接地に誘導される（ステップＳ６）。

【0047】

このように、本実施形態に係る誘雷方法は、飛行体２０が雷を発生する上空の発雷点１と地表２の間を飛行し、給電部３０が飛行体２０に給電し、飛行体２０と給電部３０を内包するファラデーケージ１０に着雷した雷サージを、給電部３０に電力を供給する電力供給線４０の一方との間に接続される第１電圧依存スイッチ３１と、電力供給線４０の一方と接地との間に接続される第３電圧依存スイッチ５２とを経由して接地に誘導し、又は雷サージを、給電部３０に電力を供給する電力供給線４０の他方との間に接続される第２電圧依存スイッチ３２と、電力供給線４０の他方と接地との間に接続される第４電圧依存スイッチ５３とを経由して接地に誘導するこれにより、飛行体２０（ドローン）を経由して流れる雷サージによる電流を抑制し、飛行体２０が破損・落下しない誘雷方法を提供することができる。

【0048】

なお、飛行体２０は常に給電装置５０から電力が供給されるので、飛行体２０の地上と空中との往来がなくなるため、効率的に落雷を補足することができる。また、雷サージが飛行体２０を経由しないので、飛行体２０の故障を軽減することができる。

【0049】

また、飛行体２０に大容量のバッテリーを搭載する必要がないため飛行体２０を軽量化することができる。また、飛行体２０と給電装置５０は、電力供給線４０のみで接続されるので、飛行体２０の活動範囲を広くすることができる。つまり、電力供給線４０は、従来の誘導線の作用も兼ねるので、飛行体２０の負荷を軽減することができる。

【0050】

なお、上記の実施例では、交流電流による磁界結合方式で飛行体２０に給電する例で説明したが、本発明はこの例に限定されない。直流電源で、飛行体２０に内蔵された二次電池を充電するようにしても構わない。また、ファラデーケージ１０の形状は、球に限定されない。

【0051】

このように本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0052】

１：発雷点
２：地表
１０：ファラデーケージ
１１：支柱
２０：飛行体
２１：受電コイル
３０：給電部
３１：第１電圧依存スイッチ
３２：第２電圧依存スイッチ
３３：送電コイル
３４：第６電圧依存スイッチ
４０：電力供給線
４１：一方の供給線
４２：他方の供給線
５０：給電装置
５１：電源
５２：第３電圧依存スイッチ
５３：第４電圧依存スイッチ
５４：第５電圧依存スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】