JP2014223262A - 遊泳体観賞装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型でなく電力消費も大きくならなく、遊泳体が独自に動作する遊泳体観賞装置を提供する。【解決手段】この遊泳体観賞装置１は、水槽２に取り付けられた送電装置３から水槽２内の水中又は水上で遊泳する遊泳体４に非放射電磁界を用いて無線で電力を伝送するものであって、送電装置３は、水槽２の底部２ａに設けられた送電側共振器３１と、送電側共振器３１の励振を制御する励振制御器３２と、を有し、遊泳体４は、電力を受電する受電側共振器５１を有する受電装置５と、受電装置５からの電力を用いて遊泳体４自身の動作を制御する遊泳体制御装置６と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、水槽内で魚形のような遊泳体を遊泳させて観賞するための遊泳体観賞装置に関する。

従来より、水槽内で魚形の遊泳体を生きている魚のように遊泳させて観賞するための種々の遊泳体観賞装置が提案されている。例えば、特許文献１には、永久磁石を遊泳体に設け、水槽に取り付けた遊泳体制御装置によって磁場の位置などを制御することにより遊泳体を遊泳させる遊泳体観賞装置が記載されている。また、特許文献２には、超音波により起電力を発生する圧電セラミックスとその起電力により点灯する発光ダイオードとを遊泳体に設け、水槽に取り付けた遊泳体制御装置によって水槽の底部に装着した発振器から超音波を発生させる遊泳体観賞装置が記載されている。この発光ダイオードの点灯により、暗い空間でインテリアとしての効果が有る、としている。特許文献３には、永久磁石と電磁石コイルと電磁誘導用コイルとを遊泳体に設け、水槽に取り付けた遊泳体制御装置から交番磁束により電磁誘導用コイルに誘起起電力を発生させ、その誘起起電力により電磁石コイルと永久磁石の間に磁力を発生させて、遊泳体における魚形の尾部形状部分を揺動させる遊泳体観賞装置が記載されている。この尾部形状部分の揺動により、空気ポンプからの空気の噴出により形成された水槽内の水流に従った遊泳に加えて、遊泳体は複雑な動作をするようになる、としている。

特開平９−１０３５８４号公報 特開２００５−０４６１９７号公報 特開２００６−３４３６２６号公報

しかしながら、特許文献１の遊泳体観賞装置では、磁場の位置などを制御する遊泳体制御装置は非常に大型であり電力消費も大きく、また、遊泳体が複数の場合、全ての遊泳体が同じ動作になってしまう。また、特許文献２の遊泳体観賞装置は、遊泳体の動作を制御するものではないが、それを制御するとなると、超音波では必要な電力の供給は難しい。また、特許文献３の遊泳体観賞装置は、水流発生のための装置が大型であり、また、遊泳体までの距離が長いと電磁誘導を起こすために遊泳体制御装置が大型になり、また、電力消費が大きくならざるを得ない。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、大型でなく電力消費も大きくならなく、遊泳体が独自に動作する遊泳体観賞装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の遊泳体観賞装置は、水槽に取り付けられた送電装置から該水槽内の水中又は水上で遊泳する遊泳体に非放射電磁界を用いて無線で電力を伝送する遊泳体観賞装置であって、前記送電装置は、前記水槽の底部に設けられた送電側共振器と、該送電側共振器の励振を制御する励振制御器と、を有し、前記遊泳体は、電力を受電する受電側共振器を有する受電装置と、該受電装置からの電力を用いて遊泳体自身の動作を制御する遊泳体制御装置と、を備えていることを特徴とする。

請求項２に記載の遊泳体観賞装置は、請求項１に記載の遊泳体観賞装置において、前記送電側共振器と前記受電側共振器はともにスパイラルコイルを有することを特徴とする。

請求項３に記載の遊泳体観賞装置は、請求項２に記載の遊泳体観賞装置において、前記送電側共振器は、近接配置した複数個のスパイラルコイルを順に接続し、該接続したスパイラルコイルの両端の間にコンデンサを接続したものであることを特徴とする。

請求項４に記載の遊泳体観賞装置は、請求項２に記載の遊泳体観賞装置において、前記送電側共振器は、単一のスパイラルコイルで構成し、該スパイラルコイルの両端の間にコンデンサを接続したものであることを特徴とする。

請求項５に記載の遊泳体観賞装置は、請求項２〜４のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、前記受電側共振器のスパイラルコイルは、その表面の法線方向が前記遊泳体の下方を向く下方向部分と片側の側方を向く片側方向部分を有していることを特徴とする。

請求項６に記載の遊泳体観賞装置は、請求項２〜４のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、前記受電側共振器のスパイラルコイルは、平面的に巻かれたものが複数個有り、その内の１個は、その表面の法線方向が下方を向き、他の１個は、その表面の法線方向が片側の側方を向くように配置されていることを特徴とする。

請求項７に記載の遊泳体観賞装置は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、前記遊泳体は、複数個有り、前記励振制御器を構成する高周波電源は、出力電流値を一定又は略一定に制御して出力信号が出力されることを特徴とする。

請求項８に記載の遊泳体観賞装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、前記水には塩分が添加されていることを特徴とする。

請求項９に記載の遊泳体観賞装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、前記水の塩分濃度が、０．００１重量％以下の範囲に有ることを特徴とする。

本発明に係る遊泳体観賞装置によれば、遊泳体が有する遊泳体制御装置が遊泳体自身の動作を制御し、それに必要な電力を水槽側から非放射電磁界を用いた共振により無線で伝送するので、大型でなく電力消費も大きくならなく、遊泳体が独自に動作することができる。

本発明の実施形態に係る遊泳体観賞装置の構成のブロック図である。 同上の遊泳体観賞装置の送電装置の１つ目の構成例を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図、（ｂ）は送電装置を構成する送電側共振器の概略下面図である。 同上の遊泳体観賞装置の送電装置の２つ目の構成例を示す模式的な斜視図である。 同上の遊泳体観賞装置の送電装置の３つ目の構成例を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図、（ｂ）は送電装置を構成する送電側共振器のスパイラルコイルの概略側面図である。 同上の遊泳体観賞装置の送電装置の３つ目の構成例を構成する送電側共振器の別の２つの結線等の例を示す模式的な斜視図である。 同上の遊泳体観賞装置の遊泳体の内部構成を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図を含む遊泳体のブロック図、（ｂ）は受電装置を構成する受電側共振器のスパイラルコイルの概略側面図である。 同上の遊泳体観賞装置の遊泳体の内部構成を示すもので、受電側共振器の別の２つの構成例を示す模式的な斜視図を含む遊泳体のブロック図である。 同上の遊泳体観賞装置の遊泳体の受電側共振器のスパイラルコイルの別の実施例を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図を含む遊泳体のブロック図、（ｂ）は受電側共振器のスパイラルコイルの概略側面図である。 同上の遊泳体観賞装置の遊泳体の受電側共振器のスパイラルコイルの更に別の実施例を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図を含む遊泳体のブロック図、（ｂ）は受電側共振器のスパイラルコイルの概略側面図である。 同上の遊泳体観賞装置の実験の構成を示すブロック図である。 同上の遊泳体観賞装置の実験における共振周波数の特性図である。 同上の遊泳体観賞装置の実験における無負荷Ｑ値の特性図である。 同上の遊泳体観賞装置の実験における無負荷Ｑ値の別の特性図である。 同上の遊泳体観賞装置の実験の別の構成を示すブロック図である。 同上の遊泳体観賞装置の実験における透過率の特性図である。 同上の遊泳体観賞装置のシミュレーションの構成を示す概略平面図である。 同上の遊泳体観賞装置のシミュレーションにおける受電電力の特性図である。 同上の遊泳体観賞装置のシミュレーションにおける電力伝送率の特性図である。 同上の遊泳体観賞装置の実施形態変形例のブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る遊泳体観賞装置１は、図１に示すように、水槽２に取り付けられた送電装置３から水槽２内の水中又は水上で遊泳する遊泳体４に非放射電磁界を用いて無線で電力を伝送するものである。遊泳体４は、魚形のものが好適である。また、他の生物の形や船形など各種のものも可能である。なお、図１中の符号Ｗは水を示している。

送電装置３は、水槽２の底部２ａに設けられた送電側共振器３１と、送電側共振器３１の励振を制御する励振制御器３２と、を有している。

送電側共振器３１は、図２〜図４に示すように、電気導線がスパイラル状に巻かれて形成されるコイル、すなわちスパイラルコイルを用いることができる。そのスパイラルコイルは、通常は、平面的に（スパイラルコイルの表面が平面を形成するように）巻かれており、スパイラルコイルの軸方向（ｚ軸方向）（スパイラルコイルの表面の法線方向）が上方に向くように配置される。スパイラルコイルの形状は、図では円形状に巻かれているものを示しているが、方形状など他の形状に巻かれているものも可能である。また、巻かれたスパイラルコイル内の隣接する電気導線間の距離は、中心部から周辺部に至るまで均等であってもよいし、発生する非放射電磁界（特に、磁界）を中心部から周辺部まで全体にわたって均一にするように、中心部では疎に巻いて大きく、周辺部では密に巻いて小さくしてもよい。

スパイラルコイルを用いた送電側共振器３１としては、次に述べる構成が可能である。１つ目の構成は、図２に示すように、送電側共振器３１を単一のスパイラルコイル３１ａで構成し、スパイラルコイル３１ａの両端を開放状態とするものである。２つ目の構成は、図３に示すように、送電側共振器３１を単一のスパイラルコイル３１ａで構成し、スパイラルコイル３１ａの両端の間にコンデンサ３１ｂを接続したものである。

３つ目の構成は、図４に示すように、送電側共振器３１として近接配置した複数個（通常は、２個）のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄ、・・・を順に接続し、この接続したスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄ、・・・の両端の間にコンデンサ３１ｂを接続したものである。複数個のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄ、・・・は、同じ向きの磁界が生じるよう接続され、短い距離Ｇだけ離して配置される。これらのスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄ、・・・は、実質的に同じ巻き数で同じ大きさのものを用いればよいが、巻き数又は大きさが違っていても構わない。

複数個のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄ、・・・の接続について、２個のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄの接続の場合を用いて具体的に説明する。スパイラルコイル３１ｃの両端のうちの一つとスパイラルコイル３１ｄの両端のうちの一つがコンデンサ３１ｂを介して、スパイラルコイル３１ｃの両端のうちの他の一つとスパイラルコイル３１ｄの両端のうちの他の一つがコンデンサを介さずに、それぞれ電気的に接続される。より詳細には、図４（ａ）に示すように、スパイラルコイル３１ｃとスパイラルコイル３１ｄの電気導線が巻かれる向きを同じにして、スパイラルコイル３１ｃの一端３１ｃａとスパイラルコイル３１ｄの他端３１ｄｂがコンデンサ３１ｂを介して、スパイラルコイル３１ｃの他端３１ｃｂとスパイラルコイル３１ｄの一端３１ｄａがコンデンサを介さずに、それぞれ接続される。或いは、図５（ａ）に示すように、スパイラルコイル３１ｃの一端３１ｃａとスパイラルコイル３１ｄの他端３１ｄｂがコンデンサを介さずに、スパイラルコイル３１ｃの他端３１ｃｂとスパイラルコイル３１ｄの一端３１ｄａがコンデンサ３１ｂを介して、それぞれ接続されるようにすることも可能である。また、或いは、図５（ｂ）に示すように、スパイラルコイル３１ｃとスパイラルコイル３１ｄの電気導線が巻かれる向きを逆にして、スパイラルコイル３１ｃの一端３１ｃａとスパイラルコイル３１ｄの一端３１ｄａがコンデンサ３１ｂを介して、スパイラルコイル３１ｃの他端３１ｃｂとスパイラルコイル３１ｄの他端３１ｄｂがコンデンサを介さずに、それぞれ接続されるようにすることも可能である。また、或いは、図示しないが、スパイラルコイル３１ｃ及びスパイラルコイル３１ｄのその他の接続方法も可能である。

励振制御器３２は、送電側共振器３１の励振を制御するものである。励振制御器３２は、詳細には、図２〜図４に示すように、高周波電源３２ｂと結合ループ３２ａを有して構成される。高周波電源３２ｂは、インピーダンスの整合を行う結合ループ３２ａを介して送電側共振器３１を励振する。つまり、高周波電源３２ｂはその出力信号を結合ループ３２ａに出力し、結合ループ３２ａは送電側共振器３１に電磁誘導結合している。結合ループ３２ａは、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。また、送電側共振器３１の回路に高周波電源３２ｂの出力端子を電気的に直結し、スパイラルコイル３１ａ、３１ｃ、３１ｄの巻き数やコンデンサ３１ｂの容量値などを調整してインピーダンス整合を行うことで、結合ループ３２ａなどのインピーダンス整合手段を省略できる場合もある。また、遊泳体４が図１に示すように複数個有る場合、高周波電源３２ｂの出力信号は、電流駆動で、すなわち出力電流値を一定又は略一定に制御して、出力されるのが好ましい。電圧駆動で、すなわち出力電圧値を一定にして出力されると、遊泳体４の数によってはそれらとの共振に起因する電圧降下により十分な電力の伝送が難しくなる場合が有るからである。

遊泳体４は、図１及び図６に示すように、伝送される電力を受電する受電装置５と、受電装置５からの電力を用いて遊泳体４自身の動作を制御する遊泳体制御装置６と、を備えている。

受電装置５は、所定の共振周波数における送電装置３の送電側共振器３１との共振によって電力を受電する受電側共振器５１と、受電側共振器５１が受電した電力を遊泳体制御装置６に出力する受電出力器５２と、を有している。

受電側共振器５１は、スパイラルコイルを用いることができる。そのスパイラルコイルは、平面的に（スパイラルコイルの表面Ｓが平面を形成するように）巻かれたものが可能であり、その場合、遊泳体４が通常の姿勢で、スパイラルコイルの軸方向（ｚ’軸方向）（スパイラルコイルの表面Ｓの法線方向）が下方に向くように配置される。このような配置により、送電側共振器３１による非放射電磁界を受ける実質的な面積が大きくなり、電力を効率的に受電することができる。

スパイラルコイルを用いた受電側共振器５１は、次に述べる構成が可能である。１つ目の構成は、図６に示すように、受電側共振器５１を単一のスパイラルコイル５１ａで構成し、スパイラルコイル５１ａの両端を開放状態とするものである。２つ目の構成は、図７（ａ）に示すように、受電側共振器５１を単一のスパイラルコイル５１ａで構成し、スパイラルコイル５１ａの両端の間にコンデンサ５１ｂを接続したものである。３つ目の構成は、図７（ｂ）に示すように、受電側共振器５１を複数個（通常は、２個）のスパイラルコイル５１ｃ、５１ｄ、・・・を順に接続し、この接続したスパイラルコイル５１ｃ、５１ｄ、・・・の両端の間にコンデンサ５１ｂを接続したものである。スパイラルコイル５１ｃ、５１ｄ、・・・は、近接して配置され、また、同じ向きの磁界が生じるよう配置される。スパイラルコイル５１ｃ、５１ｄ、・・・は、実質的に同じ巻き数で同じ大きさのものを用いればよいが、巻き数又は大きさが違っていても構わない。

また、受電側共振器５１のスパイラルコイルは、図８に示すように、平面的に巻かれたものが曲げられた形状も可能であり、その場合、遊泳体４が通常の姿勢で、スパイラルコイルの表面Ｓの法線方向が下方に向く下方向部分Ｓ１（表面Ｓの法線方向をｚ１軸として図示している。）と片側の側方を向く片側方向部分Ｓ２（表面Ｓの法線方向をｚ２軸として図示している。）を有するようにする。この下方向部分Ｓ１により、送電側共振器３１による非放射電磁界を受ける実質的な面積を大きくして、電力を効率的に受電することができるようになる。また、片側方向部分Ｓ２により、何らかの原因で遊泳体４が通常の姿勢からどちらかの向きに９０度近く倒れた場合に、十分な電力を受電できるようになる。片側方向部分Ｓ２に対して反対側を向く（もう一方の片側の側方を向く）部分を設けていないのは、スパイラルコイルに流れる電流が互いにキャンセルしないようにするためである。なお、図８（ｂ）は、遊泳体４の頭部側から見た概略側面図である。

また、受電側共振器５１のスパイラルコイルは、図９に示すように、平面的に巻かれたものを複数個有するようにすることも可能であり、その場合、遊泳体４が通常の姿勢で、その内の１個のスパイラルコイルＳ１’の軸方向（ｚ１軸方向）（スパイラルコイルＳ１’の表面Ｓの法線方向）が下方を向き、その他の１個のスパイラルコイルＳ２’の軸方向（ｚ２軸方向）（スパイラルコイルＳ２’の表面Ｓの法線方向）が片側の側方を向くように配置される。スパイラルコイルＳ１’、Ｓ２’は接続されている。スパイラルコイルＳ１’により、送電側共振器３１による非放射電磁界を受ける実質的な面積を大きくして、電力を効率的に受電することができるようになる。また、スパイラルコイルＳ２’により、何らかの原因で遊泳体４が通常の姿勢からどちらかの向きに９０度近く倒れた場合に、十分な電力を受電できるようになる。スパイラルコイルＳ２’に対して反対側を向く（もう一方の片側の側方を向く）スパイラルコイルは、電流が互いにキャンセルしないならば、設けることも可能である。なお、図９（ｂ）は、遊泳体４の頭部側から見た概略側面図である。

よって、受電側共振器５１のスパイラルコイルを、平面的に巻かれたものが曲げられた形状にしたり、平面的に巻かれたものを複数個有するようにしたりすると、通常の姿勢から倒れた場合に元の姿勢に回復し難い遊泳体４に特に有用である。なお、図８及び図９においては、受電側共振器５１を単一のスパイラルコイル５１ａで構成し、スパイラルコイル５１ａの両端の間にコンデンサ５１ｂを接続したものを示しているが、受電側共振器５１を単一のスパイラルコイル５１ａで構成し、スパイラルコイル５１ａの両端を開放状態とするもの、受電側共振器５１を複数個のスパイラルコイル５１ｃ、５１ｄ、・・・を順に接続し、この接続したスパイラルコイル５１ｃ、５１ｄ、・・・の両端の間にコンデンサ５１ｂを接続したもの、についても同様である。

また、受電側共振器５１のスパイラルコイルと送電側共振器３１のスパイラルコイルは、同じ構成である必要はない。例えば、受電側共振器５１を単一のスパイラルコイル５１ａで構成し、スパイラルコイル５１ａの両端の間にコンデンサ５１ｂを接続したものとし、送電側共振器３１を複数個（通常は、２個）のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄ、・・・を順に接続して両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成にすることができる。

受電出力器５２は、典型的な例としては、図６に示すように、結合ループ５２ａと出力回路５２ｂを有して構成されている。結合ループ５２ａは、受電側共振器５１に電磁誘導結合しており、インピーダンスの整合を行う。なお、結合ループ５２ａは、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。また、出力回路５２ｂに受電側共振器５１を電気的に直結し、受電側共振器５１のスパイラルコイルの巻き数やコンデンサの容量値などを調整してインピーダンス整合を行うことで、結合ループ５２ａなどのインピーダンス整合手段を省略できる場合もある。

遊泳体制御装置６は、遊泳体４の推進や方向制御の方法によって様々な公知のものが適用可能である。例えば、遊泳体４がスクリューで推進するものの場合は、遊泳体制御装置６は、スクリューのモータの回転を制御するものとすることができる。また、遊泳体４が魚形の尾部形状部分の揺動によって推進するものの場合は、遊泳体制御装置６は、前述した特許文献３のような永久磁石を尾部形状部分に設け、電磁石コイルの電流を制御して永久磁石を揺動させるようにしたものとすることができる。

このような構成の遊泳体観賞装置１では、遊泳体４が有する遊泳体制御装置６が遊泳体４自身の動作を制御するので、遊泳体４が独自に動作することができる。それにより、遊泳体４が複数の場合、全ての遊泳体４で動作が違うので、実物のような趣を観賞することができる。また、遊泳体制御装置６に必要な電力を水槽２側から無線で伝送する際、非放射電磁界を用いた共振による電力の伝送は、送電側共振器３１と受電側共振器５１が共通の共振周波数で共振してはじめて電力が伝送されて消費されるので、水槽２側の送電装置３は大型でなく電力消費も大きくならないようにすることができる。また、水槽２の底部２ａから水面までの距離がある程度有っても高効率の電力伝送が可能である。

また、送電側共振器３１としては、以下の実験の結果に示すように、スパイラルコイル３１ａの両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成と複数個（通常は、２個）のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄ、・・・を順に接続して両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成が好ましく、特に、後者が好ましい。これらは、電界を送電側共振器３１内部に閉じ込めることができるからであり、特に、後者は電界を効果的に閉じ込めるからである。誘電体である水槽２内の水によって非放射電磁界の電界が影響を受けやすく、電界が影響を受けると、送電側共振器３１（及び受電側共振器５１）の共振周波数が変動し、また、無負荷Ｑ値が変化し、送電側共振器３１から受電側共振器５１への電力の伝送効率が低下することになる。

次に、本願発明者が行った実験について説明する。この実験は、送電装置３の送電側共振器３１と受電装置５の受電側共振器５１の共振による電力の伝送に関連するいくつかの測定から成る。

この実験では、実験台上において送電装置３の送電側共振器３１を、そのスパイラルコイルの軸方向（ｚ軸方向）が横向き（実験台に沿った向き）になるように設置した（図１０参照）。送電側共振器３１として、３個のサンプルＡ、Ｂ、Ｃを使用した。サンプルＡは、図２に示したような単一のスパイラルコイル３１ａを用い、スパイラルコイル３１ａの両端を開放状態としたもので、スパイラルコイル３１ａを線径が約１ｍｍの電気導線を約１００回巻いて直径が約３０ｃｍとしたものである。サンプルＢは、図３に示したような単一のスパイラルコイル３１ａを用い、スパイラルコイル３１ａの両端の間にコンデンサ３１ｂを接続したもので、スパイラルコイル３１ａを線径が約１ｍｍの電気導線を約２２回巻いて直径が約３０ｃｍとしたものとし、コンデンサ３１ｂの容量を９５ｐＦとしたものである。サンプルＣは、図４に示したような近接配置した２個のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄを順に接続し、この接続したスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄの両端の間にコンデンサ３１ｂを接続したもので、スパイラルコイル３１ｃ、３１ｄのそれぞれを線径が約１ｍｍの電気導線を約１５回巻いて直径が約３０ｃｍとしたものとし、コンデンサ３１ｂの容量を１０ｐＦとし、２個のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄの間の距離を１ｃｍとしたものである。サンプルＡ、Ｂ、Ｃの空気中（下記のような水を入れた容器２Ａなどの影響を受けない状態）での共振周波数は、すべて２．３ＭＨｚとした。

次に述べる共振周波数の変動と無負荷Ｑ値の測定のためには、図１０に示すように、送電側共振器３１に近づけてペットボトル、すなわち縦長の大略直方体のポリエチレンテレフタラート製の容器２Ａに水を入れたものを実験台上に配設した。容器２Ａは送電側共振器３１のスパイラルコイルの軸方向（ｚ軸方向）と同方向の長さが１０ｃｍ弱、それに垂直方向が約８．５ｃｍ、高さが約３０ｃｍのものを用いた。水は水道水を使用した。

図１１は、送電側共振器３１の共振周波数の変動を示している。横軸は、水を入れた容器２Ａから送電側共振器３１までの距離である。横軸の右端（Ａｉｒと示す。）は空気中の場合である。図１１より、サンプルＡでは、水を入れた容器２Ａが近づくにつれて共振周波数が急激に低周波数の方向に変動している。サンプルＢでは、水を入れた容器２Ａが近づくにつれて共振周波数がわずかに低周波数の方向に変動している。サンプルＣでは、共振周波数がほとんど変動しない。これより、水による送電側共振器３１の共振周波数の変動を少なくするには、送電側共振器３１として、スパイラルコイル３１ａの両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成と２個のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄを接続して両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成が好ましく、特に、後者が好ましいことが分かる。

図１２は、送電側共振器３１の無負荷Ｑ値の変化を示している。横軸は、水を入れた容器２Ａから送電側共振器３１までの距離である。横軸の右端（Ａｉｒと示す。）は空気中の場合である。図１２より、サンプルＡでは、水を入れた容器２Ａが近づくにつれて無負荷Ｑ値が限りなく低下する。サンプルＢ、Ｃでは、水を入れた容器２Ａが約３ｃｍのところから近づくにつれて低下しているが、低下の程度はサンプルＡに比べて小さい。また、サンプルＣでは、サンプルＢに比べても低下の程度は非常に小さい。これより、水による送電側共振器３１の無負荷Ｑ値の低下を少なくするには、送電側共振器３１として、スパイラルコイル３１ａの両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成と２個のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄを接続して両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成が好ましく、特に、後者が好ましいことが分かる。

次に、送電側共振器３１の無負荷Ｑ値に対する水の塩分濃度の影響の測定について述べる。図１３は、容器２Ａの水の塩分濃度に対する送電側共振器３１の無負荷Ｑ値の変化を示している。横軸は、対数表示した塩分濃度である。図１３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、水を入れた容器２Ａから送電側共振器３１までの距離が０ｃｍ、１ｃｍの場合の特性である。水道水（塩分を添加しない水道水）は塩分濃度が約０．００３重量％（図中、破線で示す。）であるが、この塩分濃度の近傍では無負荷Ｑ値がサンプルＡ、Ｂ、Ｃすべてについて低下していることが分かる。また、サンプルＡ、Ｂについて、水道水に塩分を添加して少し塩分濃度を高くすると、高い無負荷Ｑ値が局所的に得られることが分かる。サンプルＣについては、水道水に塩分を添加して少し塩分濃度を高くすると、高い無負荷Ｑ値が局所的に得られる場合があることが分かる。また、サンプルＢ、Ｃについて、塩分濃度が０．００１重量％以下の範囲に有れば高い無負荷Ｑ値が得られることが分かる。なお、一般に、純水又は蒸留水などは、塩分濃度が０．００１重量％以下の範囲に有るのでこれを用いることもできる。

次に、送電側共振器３１から受電側共振器５１への電力の伝送効率を示す透過率の測定について述べる。この透過率には、前述した共振周波数の変動と無負荷Ｑ値の変化が大きく影響している。この測定のためには、受電側共振器５１を送電側共振器３１から４０ｃｍ離して対向するように設置した（図１４参照）。受電側共振器５１としては、送電側共振器３１のサンプルＡ、Ｂ、Ｃと同様のサンプルＡ、Ｂ、Ｃを用いた。また、図１４に示すように、送電側共振器３１と受電側共振器５１の間において、送電側共振器３１及び受電側共振器５１のそれぞれに近づけて水を入れた容器２Ａ、２Ａを配設した。水は水道水を使用した。

図１５は、送電側共振器３１から受電側共振器５１への電力の透過率の変化を示している。横軸は、水を入れた容器２Ａから送電側共振器３１までの距離（及び水を入れた容器２Ａから受電側共振器５１までの距離）である。横軸の右端（Ａｉｒと示す。）は空気中の場合である。図１５より、サンプルＢ、Ｃでは、最大約−２ｄＢの透過率が得られている。送電側共振器３１と受電側共振器５１の距離が４０ｃｍであるから、水槽２の底部２ａに送電側共振器３１を設けて水槽２内の水上（又は水中）の位置に受電側共振器５１が有ったとしても高効率の電力伝送が可能であることが分かる。

また、図１５より、サンプルＡでは、水を入れた容器２Ａが近づくにつれて透過率が急激に低下している。サンプルＢでは、水を入れた容器２Ａが近づくにつれて透過率がわずかに低下している。サンプルＣでは、水を入れた容器２Ａが近づいても透過率がほとんど低下しない。これより、水による送電側共振器３１の透過率の低下を少なくするには、送電側共振器３１として、スパイラルコイル３１ａの両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成と２個のスパイラルコイル３１ｃ、３１ｄを接続して両端の間にコンデンサ３１ｂを接続した構成が好ましく、特に、後者が好ましいことが分かる。なお、このことは、受電側共振器５１についても言えることである。

次に、高周波電源３２ｂの出力信号が電流駆動の場合での電力伝送率（受電電力の送電電力に対する比率）のシミュレーションについて述べる。２個の受電側共振器５１（５１Ａ、５１Ｂ）を用意した。２個の受電側共振器５１Ａ、５１Ｂ及び送電側共振器３１はそれぞれ、単一のスパイラルコイルとして、図１６に示すように、受電側共振器５１Ａは送電側共振器３１に上下で対向し、また、受電側共振器５１Ｂは送電側共振器３１に上下で対向するように設置した。受電側共振器５１Ａは、直径が１０ｃｍ、ピッチが０．５ｃｍ、インダクタンス値が４μＨとした。受電側共振器５１Ｂは、直径が８．５ｃｍ、ピッチが０．７ｃｍ、インダクタンス値が１．８μＨとした。送電側共振器３１は、直径が３０ｃｍ、ピッチが２．５ｃｍ、インダクタンス値が５．３μＨとした。受電側共振器５１Ａ、受電側共振器５１Ｂ、及び送電側共振器３１の共振周波数は、すべて約３ＭＨｚとした。高周波電源３２ｂの出力電流値は、１アンペアとした。また、受電側共振器５１Ａと送電側共振器３１の結合係数ｋが０．０１５、受電側共振器５１Ｂと送電側共振器３１の結合係数ｋが０．０１となるように、受電側共振器５１Ａと送電側共振器３１の間の距離及び受電側共振器５１Ｂと送電側共振器３１の間の距離を調整した。

図１７中の曲線ａ、ｂは、送電側共振器３１に上下で対向するように２個の受電側共振器５１Ａ、５１Ｂの両方を設置した場合で、それぞれ、受電側共振器５１Ａの受電電力、受電側共振器５１Ｂの受電電力を示している。曲線ｃは、曲線ａと曲線ｂの数値を足した曲線であり、トータルの受電電力を示している。また、曲線ａ’、ｂ’は、送電側共振器３１に上下で対向するように２個の受電側共振器５１Ａ、５１Ｂのいずれかを設置した場合で、それぞれ、受電側共振器５１Ａを設置したときの受電側共振器５１Ａの受電電力、受電側共振器５１Ｂを設置したときの受電側共振器５１Ｂの受電電力を示している。これらの曲線ａ’、ｂ’はそれぞれ、曲線ａ、ｂと一致して重なっている。これは、高周波電源３２ｂの出力信号が電流駆動であるからである。

図１８中の曲線ａ、ｂは、送電側共振器３１に上下で対向するように２個の受電側共振器５１Ａ、５１Ｂの両方を設置した場合で、それぞれ、受電側共振器５１Ａの電力伝送率（受電電力の送電電力に対する比率）、受電側共振器５１Ｂの電力伝送率を示している。曲線ｃは、曲線ａと曲線ｂの数値を足した曲線であり、トータルの電力伝送率を示している。また、曲線ａ’、ｂ’は、送電側共振器３１に上下で対向するように２個の受電側共振器５１Ａ、５１Ｂのいずれかを設置した場合で、それぞれ、受電側共振器５１Ａを設置したときの受電側共振器５１Ａの電力伝送率、受電側共振器５１Ｂを設置したときの受電側共振器５１Ｂの電力伝送率を示している。

図１８の曲線ｃと曲線ａ’（又は曲線ｂ’）を比較すると、曲線ｃが示す電力伝送率は、曲線ａ’（又は曲線ｂ’）が示す電力伝送率よりも高くなっていることが分かる。すなわち、２個の受電側共振器５１Ａ、５１Ｂの両方を設置した場合の方が、いずれかを設置した場合よりも無駄になる電力が少なく、有効な電力が多くなる。よって、受電側共振器５１（遊泳体４）が複数個有る場合、高周波電源３２ｂの出力信号は、電流駆動で、すなわち出力電流値を一定又は略一定に制御して、出力されるのが好ましいことが分かる。

以上、本発明の実施形態に係る遊泳体観賞装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、遊泳体４が水面近くにあって、その受電側共振器５１に送電側共振器３１から更に効率的に電力を伝送するために、図１９に示すように、水槽２の蓋２’に送電側共振器３１と同様な構造の送電側共振器３１’を取り付けることもできる。蓋２’の送電側共振器３１’は、そこに到達して来た送電側共振器３１からの非放射電磁界に結合して励振され、非放射電磁界を下方向に発生させる。それにより、遊泳体４の受電側共振器５１は送電側共振器３１からの非放射電磁界に加え送電側共振器３１’からの非放射電磁界によっても電力を受電することができるようになる。なお、送電側共振器３１’はそれのみで動作し、結合ループや高周波電源などは設けられない。

１ 遊泳体観賞装置
２ 水槽
３ 送電装置
３１ 送電装置３を構成する送電側共振器
３１ａ、３１ｃ、３１ｄ 送電側共振器３１を構成するスパイラルコイル
３１ｂ 送電側共振器３１を構成するコンデンサ
３２ 送電装置３を構成する励振制御器
３２ｂ 励振制御器３２を構成する高周波電源
４ 遊泳体
５ 受電装置
５１ 受電装置５を構成する受電側共振器
６ 遊泳体制御装置
Ｓ１ 受電側共振器５１を構成するスパイラルコイルの下方向部分
Ｓ２ 受電側共振器５１を構成するスパイラルコイルの片側方向部分
Ｗ 水

Claims (9)

1. 水槽に取り付けられた送電装置から該水槽内の水中又は水上で遊泳する遊泳体に非放射電磁界を用いて無線で電力を伝送する遊泳体観賞装置であって、
   前記送電装置は、前記水槽の底部に設けられた送電側共振器と、該送電側共振器の励振を制御する励振制御器と、を有し、
   前記遊泳体は、電力を受電する受電側共振器を有する受電装置と、該受電装置からの電力を用いて遊泳体自身の動作を制御する遊泳体制御装置と、を備えていることを特徴とする遊泳体観賞装置。
2. 請求項１に記載の遊泳体観賞装置において、
   前記送電側共振器と前記受電側共振器はともにスパイラルコイルを有することを特徴とする遊泳体観賞装置。
3. 請求項２に記載の遊泳体観賞装置において、
   前記送電側共振器は、近接配置した複数個のスパイラルコイルを順に接続し、該接続したスパイラルコイルの両端の間にコンデンサを接続したものであることを特徴とする遊泳体観賞装置。
4. 請求項２に記載の遊泳体観賞装置において、
   前記送電側共振器は、単一のスパイラルコイルで構成し、該スパイラルコイルの両端の間にコンデンサを接続したものであることを特徴とする遊泳体観賞装置。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、
   前記受電側共振器のスパイラルコイルは、その表面の法線方向が前記遊泳体の下方を向く下方向部分と片側の側方を向く片側方向部分を有していることを特徴とする遊泳体観賞装置。
6. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、
   前記受電側共振器のスパイラルコイルは、平面的に巻かれたものが複数個有り、その内の１個は、その表面の法線方向が下方を向き、他の１個は、その表面の法線方向が片側の側方を向くように配置されていることを特徴とする遊泳体観賞装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、
   前記遊泳体は、複数個有り、
   前記励振制御器を構成する高周波電源は、出力電流値を一定又は略一定に制御して出力信号が出力されることを特徴とする遊泳体観賞装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、
   前記水には塩分が添加されていることを特徴とする遊泳体観賞装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の遊泳体観賞装置において、
   前記水の塩分濃度が、０．００１重量％以下の範囲に有ることを特徴とする遊泳体観賞装置。

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