マイ クロ波無線起爆 システムの研究開発 一 受電部の検討 ‑

技 術 報 告

マイ クロ波無線起爆 システムの研究開発 一 受電部の検討 ‑

橋本賢二◆.田崎陽治暮 ,黒川孝一'

現在我 々は,山岳 トンネルの発破作業の 自助化を 円的 とし.結線 を要 しない† イ タP波無縁 塩頒 システムを開発中であ る｡本 システムは尭振乱 照射乱 受電部 (ワイヤ レス笛管) よ り 構成 され 工業用 2. 4 5 GH 之のマイ クP波を媒体 と し,そのエ ネルギーに よ りr Jイヤ レス了 [ 糟 を壇爆す るものである｡ ここでは システムの中で虫 も亜費な ワイヤ レス雷管について検討 した｡

その結果. ガラス工. i Iキ シ甚坂上に形成 した 6dB の相対利得を有す る 3 ‑ #1･ 八木7 ･ /ナナ と 8 9 0 の特性 イ ンピー ダンスを有す るス トー )ッブライ ン及び+ I ,‑ }抵抗器を発熱体 と Lf =点 火 部を格納 した館野に よ り的成 され る' )イヤ レス砺管 を開発 した｡

又.愛馬馬 力測定及び超確釈放 に よ り本 ワイヤ レス甫管が 2 0 W 以 上の供給馬 力で 1 ms 以内 に斉発で きる能 力を有 してい ることを確認 した｡

I . 掩 甘

地近の土木.埋設薬界では,施工現噺 こおけ る作薬 の合理化を回 るため.新技術の開発推進 が盛んに浪岡 され ている｡先破作業の分野において も.特に山岳 ト ンネルにおけ る発破作薬を自動化すべ く.含水爆薬の 自動装填段の開発が進め られてお り. さらには結線を 葬 しない無線転確方法の確立 とワイヤ レス留骨 の開先 が包 まれ ているH.

無線包壌方法については.その媒体 として音波.光 波.電史波等を利用す ることが考え らJt.雌音波通関 起爆法.屈む 誘申 追稲垣噸法等が本四架機工qT の際に 開先.使用 された例があ る2' . しか しなが･ ら.現状の 山岳 トンネルにおいて実用化 されてい る無線起爆鵜匠 はない｡

耽 々は無緑見破の一手段 として.ヤイ クP波を媒介 とした無線起爆 システムを考秦 し.研究開 発を進めて いる｡ マイ クt '波に よる起爆に関 して は. 1 7イ クT 3波 の直接照射 に よる火薬類の誘電作用を利用 して爆轟 さ せ るとい った.マイ クt ,波加熱に よる火鵡項の竜頓が 知 られ てい るII . 本研究は.マイ クt '波の送受信即 ち

1 9 9 2 年 8 月 5 日受理

'日本油胎( 料愛知中英所 武史工場

〒4 7 0 ‑ 2 3 愛知県知 多耶武史町字北 小松谷 61 ‑I でEL 0 5 6 9 ‑ 7 2 1) 91 6

F A X0 5 6 9 ‑ 7 3 ‑ 7 3 7 6

無線 {･ 瀦管 を転機す る方法及び装既に関す るものであ る｡本報では システムの中で広 もgt 重な ワイヤ レス 輔 管の検討結果について報告す る｡

2 . システム穫窄

本 システムの駒 を Fi g. 1 に示す｡ 本 システム は 大 別 して発振部.照射部.受電部 よ り栴攻 され.̲ r ̲ 兼用 2. 45GHz の マイ クf '波 を使用す る｡ 発 振軌 土 坤‑メ ルスのマ イ クロ波を出力 し,照射 ア ンテナに よ り塩噸 対敦の岩畳面のんに均一に照射す る｡ ' )イ十 レ ス1 1 1 . 7 肝 は照射 された‑ 7イ クP波を受信 して起爆す る ものであ る｡

本 システムの完成 イ メージにおけ る職能は.従来の トンネルポー l )ン〆マシー ンや ロー ドへ ･ /ダの由の部 分に相当す る｡先振替を 搭 載 した掘削 p; ポッ トが 切羽 に近 づ き, 自動的に照射 7 ンテナを戟盤面か ら約

に設旺 し.‑ /イ ク｡波を照射す ることに 上 り監態に七 I /トした r 7イヤ レス射管 と小丘の頓茶を起爆 して, ト断 面.小規模の制御発破を行ない. これ を迎椀的に進め てい くものである｡

ワイヤ レス雷管の基本的な舵道 と して . ^{肺肝内に電}

源を格納 した方式は一般の甜管 と同様に保安 J 二 B f ･ ま し くない｡ 従 って.本 システムでは シグナルでな くェ ネ ルギーの送受電を行 う方式を採用 した｡又. ワイ1･レ ス歯管内で もェネルギーの伝送 を物事良 く行 い 点 火部

K 6 g Y aKa y 8 k L J . Vol .54.No.2.1993 ‑ 87

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R a di at i o np art

f t e c e p t i o np a r t F i gl1 S c h e ma t i co faw ir e l e s si n i t i a t i o ns y s t e mb y

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ic r o wa v ep o we r .

へ供給す る必要が

ある｡ エネルギ‑を点火部へ効率良 くf J t 給す るには.

受電 したマイ クP波を亜紀 し直舵エ ネルギーとして供

給す る方法やその直流エネルギーを 一旦充喝 した後に

供給す る方法等が考えられ るい. し か しなが ら. ワイ

ヤ レス雷管は消耗品であるため怜単 な構造 であること

や経済性が良い ことが望まれ ろ｡従 って本 システムに

おけるワイヤ レス雷管は.受電 ア ン テナ.伝送線路.

雷管 より構成 され.受電 したマイ ク ロ波エネルギーを伝送線路に よ り直綾雷管内の点火部

に供給 してを爆す るもの とした｡ S h o r t e ni J 1 8r at , 01 . 2 2 5 1 1 /( 1 / 4 ) = 0 . 9 ) 2 /( 1 / 4 ) = 1.0 5 1 ふ / (1 /i)=0.84 0

d2 /( 1 / 4 ) = 1 . 0 0 d3 /( 1 /4)=0. 60 bl , b2 = ba =l / 5 0

1: v a y el e n gt h 上記の構造におい

て.マイクF '波を確実に受電 し, 効率良 く点火部に

導いて,発火 させ るに必要な熱エネ ルギーに変換す るに

は,受電 アンテナー伝送線路一点火 部系 の イ ンピー

ダ ンスを整 合す る こ とが要 求 さJt るS J . これが本

研究におけ る ワイヤ レス館管の叔魂 葬深層であ り, こ

の要求を済足 させ ることを前擬 とし て各桁成要素それぞれの検討を行 っ

3 . ワイアレス守 た.

3 トl . 1 /ネル内等の閉 . 受電アンテナ 管の搾発

空間でマイ クロ波を照射 した場 合.

G l a s s e p o x y b o z L r d ^{(lnt athi ckness)}

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F i g . 2 D e s i g no fa3‑e l e me n t y a gi ‑ Ud aa J l t e n n aO nap r iz I t e dg hs s e p o x yb o

2.4 Fr e qu en cy( 2.5 GH L) 2.6 F i g.3 Re l a E i o nb e t we e nf r e q ue n c ya nd g 由nf ora3‑e l e me

ntYa g i ‑Ud aa nt e n na･

周囲の宕

盤面及び舵di における多舐反卑に よ り碇在波 を生 じ

る｡ このため花良界襲 取 1 切所に強 く依存 され ること

にな り.岩魚軌 二段旺す る受電 7ンテナの位匠 に よっ

ては毎喋す るために必項なェネルギーを受屯で きない も

のを生 じる恐れがある｡従って受電 アンテナ に要求 さ

れ るのは.叫に利和が･ 高 く依道が容易で経済 性が良い こと以外

に,上記の潅在波の影響を受けに く い ものであることも1 r

( 賓 となる｡' j t在波の影響を除去 す るには,照射

7. /テナか ら受7 t iア ンテナに直進す る

‑ !イ ク｡

渡のみを愛馬す るものであれば良い｡即 ち.

横方向及

び挨万 別相が･ 小 さい挺好 ましい｡以上の観点 か ら.

受電 アンテナとして八木ア ンテナを採用 した｡

八木アンテ

ナは一般的に利和が高 く,先鍵な前方指向 性を有す る上,

両 島 的為で安価{･ ある等の特鼓を もつ｡

今回開発

した受電 アンテナの一例を Fi g. 2 に示す｡

導波器

,放射器.反射野の 3 薬子か ら成る八木アンテ ナで. ワ

イヤー式^木 ア ンテナの文献6)を もとに 厚 さ lnのガラ

スエポキシ我坂上で基本設計を行ない.

各栄子の寸法,間嗣及び短

梅串を故調整 して忠通化 し た｡ その利得の周波故特性を F

i g. 3 に示す ｡2. 3 5 GHz か ら 2. 5 5 G Hヱの帝

域で約 6 dB の相対利得が得られた｡

この相対利得は基郷の ダ

イ. *' ‑ル7 I /テナに対する八 木7 ' /テナの利和であ り. 6 dB の相対利得 値 は同 じ電 界中に匠かれた我坤の 1イポールアンテナの約 4 倍の

電力を受電する他力に相当す るものである｡ 定在 波に よる影野を確認するため,八木7ンテナな

はは完全に近い反射波が存在す る定在波中に置いた場 合の 前方 利和を測定 し,r l t ' 在

波が無い切 t iと比 較 した｡

その括 梨 , 2 . 3 5 G

Hz か ら 2 . 5 5 G Hzの帯域で ±l dB 以 内の別科変動で

あ った｡ これを電 力換算で示す と.定 在波の無い切合の受花

花 力を ]とす ) 日加. 7 9 か ら 1 . 2 6 の変動鞄州 となる｡' JI 際には これ 王ど大きな定在波 存在 し紺ないため.. j i : 在波の影響はほ とん ど は

受けない といえる｡ 3 伝送線路に恥 . 2 伝送揺蕗

托されるのは.インビー ダ･ /スの鞍合 性が良い ことL l l外に.特

性が安定 していることである｡

実際使1 7 ) する場合

の適 当な外力 ( 引 ‑ ' 懲 り,曲げ.t t L . り等)に対

してイ ンピーダンスが変化す るものでは実 用に耐えf j : い｡従 っ

て.受電7 ンテナと同一基板上に ス ト. )I ,‑ /ラ

インを形成 し給電線及び伝送線路 とした｡

その構造を F

i g. 1 に示す｡反射器は.基板前面に ス ト I )ッブラインを形状するため箕面に設圧 した｡

なお, 本報で は Fi g. 4 の愛唱 アンテナと伝送線路を便宜

上 レ シ‑. ス トl こ‑と称す ることにす る｡ )ヅプライ

l /の寸法変動に よる特性 インビー g ' I

/スの汁弟結果を Fi

g. Sに示す｡愛唱 アンテナの人力 抵抗 は Fi g. 2 に示 した も

ので 21 . 5 0 であるカ1 ス トり ッー /ライ ' /との明現

L i T 舵なインt = ' ‑ダンス集合をとる ため.放

射 執 まFi g. 4 に示す ように完全折返 し形 とし た｡ 放射器を この形

状にす ると入力抵 抗は4 倍 とな る61 . なお. . Fi g. Jに示すス ト' )〜 ,ブライ

ンは 幅 lm

･問 舶0. 3 mの もので.特性 イ ンピー ダンス は8 9 t Zで

ある｡ 4 . 3

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S ectionofdetonator

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d)) F:i9.5Chracteristici mpedancesofthestripli neaccordingtothechang

eofsize. 爾管の点火部(点火玉)以外の部分は 6 号瞬管を 使 用するものとして ,ここでは点火部について検討した｡ 本システムにおける点火部に要求されるのは . 伝送

線 路とイ･/ビー〆./スを実用可能な範朗 {･

整合するこ

とである｡

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uE[iL:At Fllg.7Structureof asquareboardshapedti p resisto T･a. これはチップ抵抗鯨の直流抵抗が大きくそれだけ大き

な供給確圧を安するためであるが

. 数 10 9の特性ィ./ ビーダンスを有する伝送線路との実現可能な婁合をと るためには止むを和ないことであり.現状ではこれに

見合う適当な供給エネル ギーを蛮する｡

採用したチ･/プ抵抗 替B の構造を Fig.7に示す｡ 4 . 受旬電力測定括果及び考察 I)nit:ct Fig.8Schematicofreceiv edmicrowavepower mea surements. (I )○73 3一 OP ︼0 3!]S !･Ja一 UU YP Lq )A9 9 Fig. 9A tip icalwaveEormofrcceiyedm icrowave poweronthetipo f

F i g.1 0 A pho t o gr a phof

e XPer ime nt a lw ir e l e s sde t on a t or . ms であ り.周紺に設配 した レシーJ :‑では

3 3 W x5 ms 7 5 ' . 府 中であ った ｡ Fi g. 7 よ り 3

3 W x5ms のエ 不ル ギーは,毎僅す るには十分であ

るといえる｡

受箱 馬 力は,マイ ク･ ,渡照 射 時の岩盤

面におけ る: i : イ ンテ ィン〆電力 ( 平均放射 馬 力帝粧 )と･

2電 7 ンテ ナの実物面筋 との轍で淡め らJtる｡ よって. こ

れを逆 許 して: t :インテ ィング碓 力を求め ることに I

I )発振署 に必 要な出力を井出で きる ｡ Fi g. 7上

り発火時間を l ms と した場 合の ワイヤ レス筋管に必 費な供給 ( 受電)

電 力を ア ンテナの契効面横は約 2 0W とす ると , 6dB 7 8 c J ( の相対利和を七す る八木 2. 45 GHz

' . であ るか ら.: ポイ ンテ ィング馬 力 は 0. 2 6W/ c Jで

あ J t は良 い ｡

これ よ り.照射 ア ンテナが発振器で出 力さ

か たマイ ク t 7波を ) n fの岩

盤面で均一な電由界強鑑 となるよ うに 照射す る もので

あると仮定すかは.発振 臥 ま 2. 6 kW l l i カナ九は

良い ことになる｡

本邦定 で使用 した発振軌 土5kW の出 力

であ る｡ こ れを I d' の岩畳面のんに均一に照射 で きる照

射 ア ンテ ナを使用 した場 合.ポイ ンテ ィング屯 加 工O. S

W / c aと な I J. レシー,:‑の受碓租 力は h T iの岩

泉面の全ての 位匠で 3 9 W とな る｡ 本測定 で使用 し

た褐磁 . ホー ンの 放射 パ ター ンでは,前方中心 部の碓磁界歯

1 度が･ 威 く.

周凶に過 ぎか る

程弱 くなるM. コン クリー ト擬に設匿 した 9 本の レシーJ ;‑

で 3 3W か ら 6 0W のml 偲 値が得 られ たのは. このためである

｡

Fi g. 6 に示 した特性 を有す るチ ッー / 択抗al B を使用 して , Fi g. 4 の レシーI L の ス トJ )ヅ‑

/ラインの先端 に点 火部を形成 し. 6 号喋菅を接合 して

ワイヤ レス雷

管 を試作 した｡ その外硯 を Fi g. 1 0に示す｡ これ を用 いて無線起爆試験 を! A! 施 した｡試験方法は裳 位.配把 共 にF

i g. 8 に示 した レシーJ :‑の受電電 力洞定時 と同 一 であ る｡沃故の紙架. A . だ管 9 個全てをを傑 で きた｡

5 本研究 で . 括 は. 浜 山岳 トl /ネルにおいて無線発破 を実現 す るための一手段 としてP , ' 零 した‑ !イ タロ

波無線起爆 システムの ワイヤ レス t l l J ' 骨について

検討 した｡ その結 果.起爆す るには十分r r捻 力を有す

る ワイヤ レス雷管 を開発で きた｡本 . /ステム は. 小規模.小

斬血の発破 に限' 起 され るものの.将来の無線発破のペー

スとなる 一項楽技術を確: 1 ' / . で きたと考え

ている｡今後は ワイヤ レス^ J i 管のモ‑ル ド化 と周辺

浅紅の能 力の光熱 こ努め て行 きた い ｡

鞘 辞

本 ･ /ステムの研究開 発に当っては,関西大学工学部

の森田正信教授.戯 uJ 幸雄助故控の絶大なる抑援助 を 得た｡ ここに深 く感謝 の意 を衣す る｡

文 献

1 ) 後藤萌.頓元和解.新藤禦.｢第 1回唖設 p: i :‑ , トシンポ ジウJ

･冶文 典｣ . P1 7( 1 9 9 0) 2) 二 Ⅰ 二 英 火薬協会鵬. ｢新 允破 ‑ ン ドブ ヅ ク｣ . P1

1 4 日9 8 9) .山海豊

3) 遜江和‑ n.渡 辺f l ‑ i 杜他.⊥発火薬 ,Vol . 4 7No. 2

P7 0 日98 6) 4 ) 庶 田幸雄.桐原仁

.森田正信.田崎触治.黒川孝

一.中野雅 札 ｢ 花見関係学会関西支部迎 合大

講 赫論文 熊｣ . ^G 会

6 ) Sh i n t a r oUDA.Ya s t oMUSHI AKE. 綿密 旨熊. P1 3 4日9 9 2 )

‑ YAGトUDAANTENNA .. ( 1 9 5 4 ) . 8) He n r yJ a s i k.An ( e l l n aEn g i n e e r i n gHa n d b o o k ' .

MARUZEN ( McGr a w‑ H i l l . Ne wYo r k.1 9 6日.Ch a p. 1 0.

7) 鴨本賢 二 . ^{l T} n川孝一.工業火薬 春季研究 発表 会諮

Devel opmentofawi r el essi ni t i at i onsyst em usl ngmi cr owavepower As t udyofar e c e pt i onpa r t

byKe n j iHASI MOTO' .Yo j iTASAK I ' .Koi c hiKUROKAWA'

Wear ec ur r e nt l yde ve l o pi ngaw ir e l e s si ni t i a t i ons ys t e m us i ngm ic r o wa vepowe rf or t hea ut omat i z a t i o nof t t mJ l e l bus t i ngo pe r a t i o ns ･T hi ss y s t emc ons i s t so f

o s cu l a t i on p a r t . a r adi at i o npar t .a ndar e c e pt i onpa r t( aw ir e l e s sde t ona t or ) .a nda ni ndu st r i a lm ic r owa ve c anb eus edt odi r e c t l yi ni t i a t ew ir e l e s sde t o na t or s.I nt hi sa r t i c l e.wer e po r to nar e s ul tof s t udyoft hew ir e l e s sde t ona t or ･

Thewi r e l e s sde t ona t orde ve l ope dhe r ec ons i s t sofar e c ei vi ngant e nna.as t r i pl i nef o r po we rt r ans m is s i on,andade t o na t o r .A3 ｢ e l e me ntYa gi ‑ Udaa nt e nnaw it haga ino f6dB wase mpl o ye dasar e c e i vi ngant e nnaa ndwa sf or me donapr i nt e dgl a s s T e PO Xybo a r d.The s t r i pl i nea ndt her e c e i vi nga nt e n nawer ef or m e dont hes a mepr i nt e dbo a r d･At i pr e s i s t or wa se mpl o ye df o rahe at i ngel e me nti mt hede t o na t or .

Me a s ur e me nt so fr e c ei vedpo we ra ndi ni t i a t i ont es t swi t ht hi swi r e l e s sde t oma t ors ho w･

e dt ha tt hede t on a t orc o ul dbei ni t i a t e d w i t hi n Imsunde ri nputpowe rc ondi t i onof2 0W of m

ic r owavepo we r .

( ● Ta ke t o yoPl a nt .Ai c hiWo r ks .NOF Cor por a t i on.61 ‑1Ki t a koma t s uda ni . Ta ke t o y o lho,Ci t a T g un , Ai c hi ‑ ke n4 7 0 ‑ 2 3)

K6 g y aKa y a k u.Vo t .54.No.2.1 993 9 3