JP2016127626A - 無線給電システム、移動体および情報収集システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線送電器と無線受電器との位置関係が定常的に変動する良導体媒質中であっても、安定して給電する無線給電システムを提供する。
【解決手段】複数の無線送電器と、複数の無線送電器のうちいずれかの入力端に接続され、無線送電器に入力される高周波信号の位相を可変にする少なくとも一つの移相器とを備え、複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相を移相器によって所定の位相差に設定してポインティングベクトルの向きを制御する無線給電システムとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非接触で電力を供給する無線給電システム、移動体および情報収集システムに関する。特に、海水などの良導体媒質中において非接触で電力を供給する無線給電システム、移動体および情報収集システムに関する。

近年、陸上資源の枯渇が進んでおり、金・銀などを含む赤粘土堆積物やコバルト・リッチ・クラスト、マンガン団塊などの海底資源の重要性に注目が集まっている。通常、このような海底資源は、深度が１０００ｍ以上の深海底において探索される。そのため、海底資源探索には、海中で駆動する自律型無人潜水機（以下、ＡＵＶと呼ぶ）が用いられる（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）。

海中では内燃機関を搭載することが難しいため、前述のＡＵＶには、リチウムイオン電池等の二次電池によって電力が供給される。現在、このようなＡＵＶの二次電池の充電は、ＡＵＶを母船に引き揚げてから実施されている。ＡＵＶを母船に引き揚げるためには、ＡＵＶの荷重に耐えうる大型クレーンが必要である。そこで、コスト抑制の観点から、大型クレーンなどの設備を用いずに、海中において無線でエネルギーをＡＵＶに供給する無線給電を利用することが求められる。

ＡＵＶなどの移動体に海中で無線給電する場合、高い導電率を有する海水への対応が課題となる。海水は４Ｓ／ｍ程度の高い導電率を有するため、海中を透過する電磁波は電磁エネルギーを損失してしまい、結果として、高効率・長距離な無線給電を行うことは難しい。

特許文献１には、海水中においても高効率・長距離な無線給電を可能とする電力伝送装置が開示されている。特許文献１の電力伝送装置は、誘電体で包含した電力伝送用コイルのインピーダンスと、海水等の良導体媒質のインピーダンスとで定まる周波数で共振させて電力伝送を行う。

実際の海中においては、潮力や浮力等が発生するため、無線送電器と無線受電器との位置関係が定常的に変動する。そのため、無線送電器と無線受電器との位置関係の変動に伴い、電力伝送特性に変動が生じる可能性がある。

特許文献２には、非接触で電力を受電する第１の水中移動体と、第１の水中移動体に並走しながら給電を行う第２の水中移動体とを有する非接触給電システムについて開示されている。

特許文献３には、複数の送電回路を備える非接触送電装置について開示されている。特許文献３の非接触送電装置によれば、複数の送電回路が発生する信号の位相を制御し、受電回路に各送電回路から到達する磁場の変化の位相が揃うようにする。

国際公開第２０１４／０３４４９１号 特開２０１４−１５０６９７号公報 特開２０１１−１９９９７５号公報

特許文献１の電力伝送装置によれば、海水中において、無線送受電器間に鉛直なポインティングベクトルを形成することが可能となる。そのため、良導体媒質である海水中であっても長距離・高効率な無線給電を行うことが可能となる。しかしながら、実際の海中においては、無線送電器と無線受電器との位置関係が定常的に変動するため、無線送電器と無線受電器との位置関係の変動に伴い、電力伝送特性に変動が生じる可能性がある。このような位置関係の変動が発生すると、例えば、無線送電器および無線受電器の中心軸がずれる軸ずれが生じるため、電力伝送特性が劣化する可能性がある。

特許文献２の非接触給電システムによれば、送電側と受電側とを互いに固定しなくても、互いの位置関係を一定にすることができる。しかしながら、実際には、局所的に生じる潮流の影響は大きく変動するため、近接する二つの水中移動体の距離関係を一定に保つことは難しいという問題点がある。

特許文献３の非接触送電装置によれば、送電回路と受電回路との距離関係や受電回路が必要とする電力に応じて稼働させる送電回路を決定し、各送電回路が発生する信号の位相を制御することによって、送電効率を改善することができる。しかしながら、複数の送電回路から到達する磁場の変化の位相を受電回路において揃えるためには、全ての送電回路と受電回路との距離関係を把握し、各距離関係に応じて送電回路の位相を制御する必要がある。そのため、給電中に送電回路と受電回路との距離関係が変動する度に、各送電回路の稼働状況や信号の位相を再設定する必要が生じる。

本発明の目的は、無線送電器と無線受電器との位置関係が定常的に変動する良導体媒質中であっても、安定して給電する無線給電システムを提供することにある。

本発明の無線給電システムは、複数の無線送電器と、複数の無線送電器のうちいずれかの入力端に接続され、無線送電器に入力される高周波信号の位相を可変にする少なくとも一つの移相器とを備え、複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相を移相器によって所定の位相差に設定してポインティングベクトルの向きを制御する。

本発明の移動体は、複数の無線送電器と、複数の無線送電器のうちいずれかの入力端に接続され、無線送電器に入力される高周波信号の位相を可変にする少なくとも一つの移相器とを有し、複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相を移相器によって所定の位相差に設定してポインティングベクトルの向きを制御する無線給電システムを搭載する。

本発明の情報収集システムは、複数の無線送電器と、複数の無線送電器のうちいずれかの入力端に接続され、無線送電器に入力される高周波信号の位相を可変にする少なくとも一つの移相器とを有し、複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相を移相器によって所定の位相差に設定してポインティングベクトルの向きを制御する無線給電システムを搭載する移動体と、移動体から無線給電される少なくとも一つの情報収集機器と、移動体および情報収集機器によって収集される情報を統合的に管理する管理センタとを備える。

本発明によれば、無線送電器から発せられるポインティングベクトルの方向を制御することによって、送電器と受電器との位置関係が定常的に変動する良導体媒質中であっても、安定して無線給電する無線給電システムを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムの構成を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおける無線送電器の配置の一例を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムの動作に関するフローチャートである。 一般的なポインティングベクトルについて説明するための概念図である。 一般的な無線給電システムにおける軸ずれ率と電力伝送効率との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおいて、各無線送電器に入力される高周波信号の位相が同相の場合におけるエネルギーフローのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおいて、各無線送電器に入力される高周波信号の位相差が９０°の場合におけるエネルギーフローのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおいて、各無線送電器に入力される高周波信号の位相差が１８０°の場合におけるエネルギーフローのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおいて、各無線送電器に入力される高周波信号の位相差が２７０°の場合におけるエネルギーフローのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおける磁界強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおける磁界強度分布のシミュレーション結果を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおける電界強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムにおける電界強度分布のシミュレーション結果を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線給電システムの構成を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線給電システムにおける無線送電器の配置の一例を示す概念図である。 微小ダイポールから送出される磁界の分布範囲を説明するための概念図である。 本発明の第１および第２の実施形態に係る無線給電システムの磁界の分布を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る無線給電システムにおける無線送電器の配置の一例を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る無線給電システムの磁界の分布を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る実施例１の構成を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る実施例１における動作に関するフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る実施例２の構成を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る実施例２における動作に関するフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る実施例３の構成を示す概念図である。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る無線給電システムについて図面を参照しながら説明する。

＜構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線給電システム１１の構成を示す概念図である。

本実施形態に係る無線給電システム１１は、無線送電器１１１、無線送電器１１２、移相器１２１および移相器１２２を備える。また、本実施形態に係る無線給電システム１１は、移相器１２１および移相器１２２に高周波信号を入力するための高周波電源（図示せず）を備える。なお、図１には、２台の無線送電器（１１１、１１２）を用いる例を示しているが、３台以上の無線送電器を用いてもよい。また、図１には、２台の移相器を用いる例を示しているが、移相器は、１台でもよいし、３台以上を組み合わせてもよい。

本実施形態に係る無線給電システム１１においては、図２のように、無線送電器１１１および無線送電器１１２の送電面が同じ方向を向くように配置される。すなわち、無線給電システム１１においては、無線送電器１１１および無線送電器１１２の各送電面が平行になるように配置される。言い換えると、無線給電システム１１においては、無線送電器１１１および無線送電器１１２の各送電面の法線がなす角が０°になるように設定する。

ここで、本実施形態に係る無線給電システム１１を一般的に表現するブロック図（図３）を示す。

本実施形態に係る無線給電システムは、図３のように、複数の無線送電器１１０（１１０−１、・・・、１００−ｍ）、少なくとも一つの移相器１２０（１２０−１、・・・、１２０−ｎ）を備える（ｍは２以上の自然数、ｎは任意の自然数）。無線送電器１１０と移相器１２０とは同数でなくてもよく、移相器１２０が接続されていない無線送電器１１０があってもよい。また、本実施形態に係る無線給電システムは、移相器１２０に高周波信号を入力するための高周波電源（図示しない）を備える。高周波電源は、各移相器１２０に対して個別に設けてもよいし、全ての移相器１２０に対して共通に設けてもよい。

次に、本実施形態に係る無線給電システム１１の各構成要素について説明する。

無線送電器１１１および無線送電器１１２は、無線で電力を送電するためのアンテナと、海水中等の水環境下で動作するための防滴構造または防水構造を有する。アンテナは、コイルやパッチアンテナ等を用いて実現する。防滴構造または防水構造は、アンテナを包含するための誘電体や、接続部を保護するための防水コネクタ等を用いて実現する。

無線送電器１１１および無線送電器１１２の主面のうち一方が送電面となる。本実施形態では、図５のように、無線送電器１１１および無線送電器１１２の送電面が同一の方向（上方）を向いている。

移相器１２１および移相器１２２は、高周波電源から入力される高周波信号の位相を調整する機構を有する。移相器１２１および移相器１２２は、無線送電器１１１および無線送電器１１２の各々の入力端に接続される。位相を調整する機構は、可変インダクタや可変キャパシタ等で実現する。なお、移相器は、無線送電器１１１および無線送電器１１２のうち少なくとも一方に設けられていればよい。また、特許文献４（特開２００６−３１９７９２号公報）のように、移相器を構成する導波管構造の伝送路長を伸縮することによって、導波管構造内を伝送する電磁波の位相を制御するようにしてもよい。

高周波電源は、移相器１２１および移相器１２２に高周波信号を入力するための機構を有する。高周波信号を入力するための機構は、汎用信号源および信号源から出力される信号を増幅するための増幅器等を用いて実現する。

以上が、本実施形態に係る無線給電システム１１の構成についての説明である。

＜動作＞
次に、本実施形態に係る無線給電システム１１の動作について図４のフローチャートを参照しながら説明する。

図４において、まず、高周波電源（図示しない）は、移相器１２１および移相器１２２に対して高周波信号を出力する（ステップＳ１１）。高周波電源が出力した高周波信号は、移相器１２１および移相器１２２に入力される。

次に、移相器１２１および移相器１２２は、入力された高周波信号の位相を調整する（ステップＳ１２）。移相器１２１および移相器１２２は、位相を調整した高周波信号を無線送電器１１１および無線送電器１１２に対して送出する。位相を調整した高周波信号は、無線送電器１１１および無線送電器１１２に入力される。

そして、無線送電器１１１および無線送電器１１２は、位相が調整された高周波信号を海水中に送出する（ステップＳ１３）。

以上が、本実施形態に係る無線給電システム１１の動作についての説明である。

＜効果＞
以上のように、本実施形態に係る無線給電システムによれば、無線送電器から発せられるポインティングベクトルの方向を制御することによって、潮力や浮力等が発生する海中であっても安定して移動体に給電することが可能となる。

＜関連技術＞
ここで、本実施形態に係る無線給電システム１１を理解しやすくするために、特許文献１（国際公開第２０１４／０３４４９１号）に記載された関連技術について説明する。

特許文献１の電力伝送装置は、誘電体で包含した電力伝送用コイルのインピーダンスと、海水等の良導体媒質のインピーダンスとで定まる周波数で共振させて電力伝送を行う。

特許文献１の電力伝送装置では、図５のように、海水１００中において、無線送信器１０１から無線受信器１０２に対して鉛直なポインティングベクトル１０５を形成することが可能となる。図５では、ポインティングベクトル１０５が電界１０７の中心を通るように形成される様子を示している。

ポインティングベクトルは、磁界ベクトル（Ｈ）と電界ベクトル（Ｅ）との外積の時間平均を指し、以下の式１で表される。なお、式１の各パラメータはベクトルである。

式１で示されるポインティングベクトルは、電磁場の持つエネルギーの流れの密度を表す物理量であり、電磁場によるエネルギーフローそのものである。関連技術１の電力伝送装置によれば、良導体媒質である海水１００中であっても長距離・高効率な無線給電を行うことが可能となる。

しかしながら、実際の海中においては、潮力や浮力等が発生するため、無線送電器１０１と無線受電器１０２との位置関係が定常的に変動する。そのため、無線送電器１０１と無線受電器１０２との位置関係の変動に伴い、電力伝送特性に変動が生じる可能性がある。このような位置関係の変動が発生すると、例えば、無線送電器１０１および無線受電器１０２の中心軸がずれる軸ずれが生じるため、電力伝送特性が劣化する可能性がある。

図６は、特許文献１の関連技術に基づいた無線送電器１０１と無線受電器１０２との軸ずれ率と電力伝送効率との関係を測定した結果を示す図である。なお、軸ずれ率０％は、無線送電器１０１と無線受電器１０２とがお互いに対面している状態を示す。軸ずれ率１００％は、無線送電器１０１と無線受電器１０２との対向面積が０の状態を示す。

図６のように、無線送電器１０１と無線受電器１０２との間の軸ずれが増加するにしたがって、電力伝送効率が線形に低下していく。これは、無線送電器１０１と無線受電器１０２との間に鉛直なポインティングベクトルが形成されるためである。すなわち、無線送受電器間にエネルギーフローが鉛直に形成されると、軸ずれに弱くなってしまう。それに対し、本実施形態に係る無線給電システム１１では、無線送電器間のポインティングベクトルの向きを制御することが可能となるため、軸ずれに対応することができる。

＜シミュレーション＞
ここで、本実施形態に係る無線給電システムにおいて、高周波信号の位相を調整した場合のシミュレーション結果について図７〜図１０を用いて説明する。図７〜図１０は、本実施形態に係る無線給電システム１２を構成する無線送電器１１３および無線送電器１１４から海水中に送出されるポインティングベクトル、すなわちエネルギーフローのシミュレーション結果である。

本シミュレーションにおいて、無線送電器１１３および無線送電器１１４はスパイラルコイルを誘電体で包含した同一の構成を有する。無線送電器１１３は移相器１２３に接続され、無線送電器１１４は移相器１２４に接続されている。無線送電器１１３および無線送電器１１４は、海水中に設置されている。無線送電器１１３および無線送電器１１４の動作周波数は約１０ＫＨｚである。

図７〜図１０には、４つの異なる条件下におけるポインティングベクトルのシミュレーション結果示す。なお、図７〜図１０において、無線送電器１１３および無線送電器１１４は図の上側に送電面を向けて配置されており、図の上側を観測面とする。また、図７〜図１０において、各無線送電器（１１３、１１４）の送電面に対して垂直上方が＋Ｚ方向であり、各無線送電器（１１３、１１４）の送電面に対して水平に無線送電器１１３から無線送電器１１４に向かう方向が＋Ｙ方向である。

１つ目の結果（図７）は、無線送電器１１３および無線送電器１１４に入力される高周波信号の位相が同相の条件下（同相励起）におけるシミュレーション結果である。この場合、観測面におけるポインティングベクトルの向きは、無線送電器１１３および無線送電器１１４の上方では各送電面に対して＋Ｚ方向に制御され、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間では各送電面に対して＋Ｙ方向または−Ｙ方向に制御される。

２つ目の結果（図８）は、無線送電器１１３に入力される高周波信号の位相に対して、無線送電器１１４に入力される高周波信号の位相が９０°進んでいる条件下におけるシミュレーション結果である。この場合、観測面におけるポインティングベクトルの向きは、無線送電器１１３および無線送電器１１４の上方では、−Ｙ方向に制御される。

３つ目の結果（図９）は、無線送電器１１３に入力される高周波信号の位相に対して、無線送電器１１４に入力される高周波信号の位相が１８０°進んでいる条件下（逆相励起）におけるシミュレーション結果である。この場合、観測面におけるポインティングベクトルの向きは、無線送電器１１３の上方では−Ｙ方向、無線送電器１１４の上方では＋Ｙ方向、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間では＋Ｚ方向に制御される。すなわち、隣接する無線送電器間の高周波信号の位相差を１８０°にすると、無線送電器間において、送電面に対して鉛直なポインティングベクトルを発生することができる。その結果、無線送電器１１３と無線受電器１１４との間に横ずれが発生した場合においても高効率に給電することが可能となる。

４つ目の結果（図１０）は、無線送電器１１３に入力される高周波信号の位相に対して、無線送電器１１４に入力される高周波信号の位相が２７０°進んでいる条件下におけるシミュレーション結果である。この場合、観測面におけるポインティングベクトルの向きは、無線送電器１１３および無線送電器１１４の上方では、＋Ｙ方向に制御される。

図７〜図１０のように、無線送電器１１３および無線送電器１１４に入力される高周波信号の位相を調整することによって、海水中におけるポインティングベクトルの向き、すなわちエネルギーの流れを制御することが可能となる。すなわち、複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相差を移相器によって所定の位相差に設定してポインティングベクトルの向きを制御することができる。通常、上述のような複数の無線送電器を搭載する無線給電システムは、給電対象に備えられた無線受電器に正対して給電することが多い。そのため、図９のように、無線給電システムの複数の無線送電器から無線受電器に向けたポインティングベクトルが形成されるように、複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相差が１８０°になるように設定することが好ましい。なお、複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相差は１８０°に限らず、ポインティングベクトルが無線受電器の方向に向く位相差に設定することがこのましい。

以下に、ポインティングベクトルの向きが制御されるメカニズムについて説明する。ポインティングベクトルは、特許文献１の関連技術に関して説明したように、磁界ベクトル（Ｈ）と電界ベクトル（Ｅ）との外積の時間平均、すなわち一周期あたりの時間平均により表され、エネルギーの流れを表す。なお、一周期とは、磁界または電界の位相が０°から３６０°まで変化する間に経過する時間である。周波数をｆヘルツ（Ｈｚ）とすると、１／ｆ秒の時間が一周期に相当する。したがって、無線送電器から射出される磁界および電界の空間的な強度が高いと、ポインティングベクトルの強度が高くなる。また、磁界ベクトルおよび電界ベクトルの外積によって、ポインティングベクトルの方向、すなわちエネルギーフローの方向が決定される。

ここで、複数の無線送電器から磁界および電界が送出される場合について考える。複数の無線送電器から磁界および電界が送出される場合、各無線送電器から送出された磁界および電界の干渉が発生する。例えば、同方向を向いた磁界ベクトルが重なった空間においては、磁界ベクトルの強度が強まる。一方、逆方向を向いた磁界ベクトルが重なった空間においては、磁界ベクトルの強度が弱まる。

したがって、各無線送電器から発せられる磁界ベクトルおよび電界ベクトルの方向を制御することによって、磁界および電界の干渉により生じる空間的な強度分布範囲を制御することが可能となる。その結果、ポインティングベクトルの強度および方向を制御することが可能となる。

〔磁界強度〕
図１１は、無線送電器１１３および無線送電器１１４から発せられる磁界強度のシミュレーション結果である。なお、図１１の左側（破線枠内）が同相励起時（位相差が０°）、右側（一点鎖線枠内）が逆相励起時（位相差が１８０°）における磁界強度のシミュレーション結果である。また、図１１には、同相励起時および逆相励起時の各々について、励起開始時（ｔ＝０秒）と、励起開始から半周期経過した時間(ｔ＝１／ｆ×０．５秒)とにおける磁界強度を示す(ｆは動作周波数)。なお、図１１のシミュレーション結果においては、磁界強度が強くなるにつれて濃いパターンで示している。

図１１に示すように、励起開始時（ｔ＝０秒）において、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１１の点線枠内）の磁界強度は、同相励起時に比べて逆相励起時の方が強くなっている。

図１１に示す空間的な磁界強度の分布は、図１２に示すように、磁界ベクトルの重ね合わせによって説明できる。図１２の左側（破線枠内）に同相励起時、右側（一点鎖線枠内）に逆相励起時における磁界ベクトルの方向を示す概念図を示す。なお、図１２には、無線送電器１１３から発せられる磁界ベクトル１２３、無線送電器１１４から発せられる磁界ベクトル１２４を曲線で示している。磁界ベクトル１２３および磁界ベクトル１２４の矢尻は、各磁界ベクトルの方向を示す。

図１２の左側のように、同相励起時（破線枠内）は、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１１の点線内部）の磁界ベクトルは互いに逆方向を向いている。そのため、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１１の点線枠内）の磁界強度は小さくなる。

一方、図１２の左側のように、逆相励起時（一点鎖線枠内）は、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１１の点線枠内）の磁界ベクトルは同方向を向いている。そのため、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１１の点線枠内）の磁界強度は大きくなり、磁界ベクトルはＹ軸の正方向を向く。

以上のような磁界ベクトルの重ね合わせによって、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１１の点線枠内）における磁界強度は、同相励起時に比べて逆相励起時の方が強くなる。

〔電界強度〕
図１３は、無線送電器１１３および無線送電器１１４から発せられる電界強度のシミュレーション結果である。なお、図１３の左側（破線枠内）が同相励起時、右側（一点鎖線枠内）が逆相励起時における電界強度のシミュレーション結果である。また、図１３には、同相励起時および逆相励起時の各々について、励起開始時（ｔ＝０秒）と、励起開始から半周期経過した時間（ｔ＝１／ｆ×０．５秒）とにおける電界強度を示す（ｆは動作周波数）。

磁界強度の場合と同様に、電界強度の空間的分布は同相励起時と逆相励起時とで異なる。特に、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１３の点線枠内）の電界強度は、同相励起時と比較して逆相励起時の方が大きくなっている。

図１３に示す空間的な電界強度の分布は、電界ベクトルの重ね合わせによって説明できる。図１４に、同相励起時（左側の破線枠内）および逆相励起時（右側の一点鎖線枠内）における電界ベクトルの方向を示す概念図を示す。なお、図１４においては、無線送電器１１３および無線送電器１１４をＺ軸方向から見た電界ベクトルの方向を示す。また、図１４には、無線送電器１１３から発せられる電界ベクトル１３３、無線送電器１１４から発せられる電界ベクトル１３４を曲線で示している。電界ベクトル１３３および電界ベクトル１３４の矢尻は、各電界ベクトルの方向を示す。

図１４の左側のように、同相励起時（破線枠内）は、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１３の点線枠内）の電界ベクトルは互いに逆方向を向いている。そのため、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１３の破線枠内）の電界強度は小さくなる。

一方、逆相励起時（一点鎖線枠内）は、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１３の点線枠内）の電界ベクトルは同方向を向いている。そのため、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１３の点線枠内）の電界強度は大きくなり、電界ベクトルはＸ軸の負方向を向く。

図１１〜図１４のように、逆相で励起した場合においては、磁界ベクトルはＹ軸の正方向を向き、電界ベクトルはＸ軸の負方向を向く。その結果、無線送電器１１３と無線送電器１１４との間（図１１および図１３の点線枠内）において、Ｚ軸方向を向くポインティングベクトルが生成される。すなわち、本実施形態によれば、Ｚ軸方向を向くポインティングベクトルを図１１および図１３の点線枠内に生成することができる。このようなポインティングベクトルを生成すれば、無線受電器が図１１および図１３の点線枠内に位置する場合に、無線送電器から無線受電器に対して安定して給電することができる。すなわち、本実施形態によれば、無線受電器が無線送電器１１３および無線送電器１１４のいずれに対しても軸ずれを生じている場合であっても、安定して給電することが可能となる。

一方、本実施形態によれば、無線受電器が無線送電器１１３または無線送電器１１４のいずれかと対向している場合、同相で励起すれば効率よく給電できる。すなわち、本実施形態によれば、無線送電器１１３または無線送電器１１４のいずれかに対して無線受電器が軸ずれを生じていない場合、同相で励起することによって無線送電器から無線受電器に対して効率よく給電できる。

図１１〜図１４の例では同相励起および逆相励起の場合について述べたが、本実施形態によれば、無線送電器１１３と無線送電器１１４との位相差を０°〜１８０°の間で制御することによって、任意の方向にポインティングベクトルを向けることが可能となる。

以上のように、本実施形態においては、移相器１２３および移相器１２４によって無線送電器１１３および無線送電器１１４に入射される高周波信号の位相を制御する。その結果、磁界と電界の空間的強度分布および磁界ベクトルと電界ベクトルの方向を制御することが可能となり、ポインティングベクトルの方向を制御することが可能となる。

本実施形態によれば、海水中におけるポインティングベクトルの向きを制御することが可能となるため、潮力・浮力等が発生する海中において、無線送受電器間での軸ずれ等が発生したとしても、安定して移動体に給電することが可能となる。

また、本実施形態に係る無線給電システムは、海中以外であっても、例えば、土中や配管中、炉内等の水分が存在する媒質中であれば同様に動作し、ポインティングベクトルの方向を制御して給電することが可能である。

（第２の実施形態）
次に、図１５および図１６を用いて、第２の実施形態に係る電力供給システムの構成について説明する。

第２の実施形態に係る無線給電システム２１は、第１の実施形態に係る無線給電システム１１とは異なり、無線送電器２１１と無線送電器２１２とが直交する位置関係になるように配置されていることを特徴とする。すなわち、無線給電システム２１においては、図１６のように、無線送電器１１１および無線送電器１１２の送電面が９０°の角度になるように配置される。言い換えると、無線給電システム２１においては、無線送電器１１１および無線送電器１１２の各送電面の法線がなす角が９０°になるように設定する。

なお、第２の実施形態の移相器２２１、移相器２２２および高周波電源（図示せず）の各々は、第１の実施形態の移相器１２１、移相器１２２および高周波電源（図示せず）と同一であるため、説明は省略する。また、本実施形態に係る無線給電システム２１の動作は、第１の実施形態に係る無線給電システム１１と同様であるので、詳細な説明は省略する。

＜効果＞
本実施形態によれば、第１の実施形態における効果に加えて、各無線送電器から発せられるポインティングベクトルを構成する電磁界の干渉する空間的な範囲を増大させることが可能となる。その結果、ポインティングベクトルの空間的な制御範囲を増大させることが可能となる。

第１の実施形態に関する説明で述べたように、電磁界の干渉によって、ポインティングベクトルの制御が可能となる。すなわち、ポインティングベクトルの空間的な制御範囲を増加させるためには、複数の無線送電器が海水中に送出する磁界および電界の干渉する空間的領域を増加させる必要がある。

ここで、海水中に設置された微小ダイポールアンテナ２００から放射される磁界２１０の計算した結果の一例を図１７に示す。なお、微小ダイポールアンテナ２００から放射される磁界２１０は、振動周波数１ＭＨｚ、電流１Ａの微小ダイポールを仮定し、磁界の放射方向をｚ方向として以下の式２および式３を用いて計算した（非特許文献１）。なお、式２および式３において、ｒおよびφは球面座標上の座標、Ｈ_r ^hmおよびＨ_φ ^hmは微小ダイポール（水平磁気双極子）から放射される磁界の大きさを示す（ｈｍ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ−ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｉｐｏｌｅｓ）。また、式２および式３において、ωは角振動数、Ｉは電流、Ｓは磁気ダイポールを構成する電流が分布している面積、Ｎ：磁気ループのターンの数、ρは自由空間波長単位の放射距離、ｚはアンテナ深さ、δは表皮深さ、ｊは虚数単位を示す。
（非特許文献１）Ｒ．Ｋ．Ｍｏｏｒｅ．ｅｔ．ａｌ．、「Ｄｉｐｏｌｅ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｈａｌｆ Ｓｐａｃｅ」、ＪＯＲＮＡＬ ＯＦ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ−Ｄ． Ｒａｄｉｏ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、１９６１年１１月、６５Ｄ巻、６号、ｐ．５４７−５６３
図１７に示すように、海水中に設置された微小ダイポールアンテナ２００から放射される磁界２１０は、海水中に円弧状に拡がっている。

式２および式３の計算結果に基づいて、無線給電器２１３と無線給電器２１４とを水平または垂直に配置する場合の磁界の干渉に関する概念図を図１８に示す。図１８には、無線給電器２１３の磁界２２３と、無線給電器２１４の磁界２２４とが干渉し合う空間的領域２２５（図中斜線）の大きさの目安を示す。

図１７に示すように、海水中に設置された微小ダイポールアンテナ２００から放射される磁界２１０は、海水中に円弧状に拡がっている。そのため、図１８のように、無線給電器２１３と無線給電器２１４とを水平に配置する場合（左側破線枠内）に比べて、直交して配置する場合（右側一点鎖線枠内）の方が、磁界の干渉し合う空間的領域２２５（図中斜線）が広い。同様に、電界の場合においても、図１５のように、無線送電器同士を互いに直交して配置することによって、電界の干渉する空間的領域を拡げることが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、各無線送電器を互いに直交して配置することによって、各無線送電器から発せられるポインティングベクトルを構成する電磁界の干渉する空間的な範囲を第１の実施形態と比較して増大させることが可能となる。その結果、本実施形態によれば、ポインティングベクトルの空間的な制御範囲を増大させることができる。

なお、非特許文献１に記載の通り、ダイポールアンテナから送出される磁界および電界のパターンは、空気中と海水中では異なる。具体的には、空気中においては、球座標系において磁界がＲ方向にのみ分布しているのに対し、海水中においては、磁界がＲ方向だけではなく、φ方向にも分布している。したがって、上述のような無線送電器の配置方法は自明ではなく、海水等の導電性を有する媒質に適した特有の配置方法であることは明らかである。

また、本実施形態においては、無線送電器同士が直交、すなわち各無線送電器の送電面の法線のなす角が９０°になるように配置する場合について述べた。例えば、各無線送電器の送電面の法線のなす角が３０°や４５°の位置関係に無線送電器が配置されていたとしても、水平に配置される場合に比べてポインティングベクトルの制御範囲を拡げることができる。そのため、実装の都合等を勘案して、各無線送電器の送電面の法線のなす角が９０°以外の最適な角度を選択してもよい。

（変形例）
ここで、本実施形態に係る無線給電システムの変形例を図１９に示す。図１９の変形例は、無線送電器３１１、無線送電器３１２、移相器３２１および移相器３２２を備える無線給電システム３１である。無線給電システム３１において、無線送電器３１１および無線送電器３１２の各送電面の法線のなす角θは、０°より大きく、９０°より小さく設定される。なお、無線送電器３１１および無線送電器３１２の各送電面の法線のなす角θは、第１の実施形態では０°であり、第２の実施形態では９０°である。ただし、各無線送電器の送電面の法線のなす角θは、図１９のように定義される。

図１８と同様に、無線給電器３１３および無線給電器３１４から発せされる磁界の分布を図２０に示す。本変形例によれば、同一の大きさの空間であれば、無線給電器３１３の磁界３２３と、無線給電器３１４の磁界３２４とが干渉し合う空間的領域２２５（図中斜線）が第１の実施形態と比べて大きくなる。すなわち、第１の実施形態と比較して、ポインティングベクトルの空間的な制御範囲を増大させることができる。また、各無線送電器の送電面を任意の向きに設定できるため、無線送電器の配置の自由度が大きくなるという効果も得られる。なお、各無線送電器の送電面の法線のなす角θを９０°より大きくしても空間的領域２２５（図中斜線）を大きくすることはできるが、空間的領域２２５に給電対象を配置させにくくなるので、角θは０°以上９０°以下に設定することが好ましい。

また、これまでは、無線送電器３１１および無線送電器３１２の各送電面の法線のなす角θを固定するものとしてきたが、角θを可変とするように構成してもよい。角θを可変とすれば、送電側と受電側との距離関係や必要な受電力に応じて、ポインティングベクトルの空間的な制御範囲を最適な範囲に設定することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態に係る無線給電システム３１について説明する。

第３の実施形態に係る無線給電システム３１は、第１または第２の実施形態に係る無線給電システムであって、給電したい空間距離ｄ（ｃｍ）に対して、無線送電器の動作周波数ｆ（ＭＨｚ）を以下の式４に基づいて選択することを特徴とする。
（０．２×ｄ／４０）＜（１／√ｆ）＜（１．５×ｄ／４０）・・・（４）
本実施形態に係る無線給電システム３１の構成および動作は、第１または第２の実施形態に係る無線給電システムと同様であるので、詳細は省略する。

海水中に設置された微小ダイポールアンテナの振動周波数と、一定以上の磁界強度（１Ａ／ｍ）が得られる無線送電気からの距離との関係は、海水中に設置された微小ダイポールから放射される磁界を式２および式３を用いて計算することで求められる。電流１Ａの微小ダイポールを仮定すると、微小ダイポールアンテナの振動周波数が１ＭＨｚの場合は４０ｃｍ、１０ＭＨｚの場合は３０ｃｍ、１００ＭＨｚの場合は５ｃｍよりも近い場合に、１Ａ／ｍ以上の磁界強度が得られると算出される。この関係から明らかなように、周波数が低い場合は磁界強度１Ａ／ｍが得られる範囲が広く、周波数が高い場合には磁界強度１Ａ／ｍが得られる範囲が狭くなる。式４は、この１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲における周波数と距離の関係から求めた式である。

式４によると、振動周波数が大きくなるにつれて、一定以上の磁界強度が得られる距離、すなわち給電可能な距離が小さくなる。一方、振動周波数が小さくなると、一般的に無線送電器のサイズが増大する。そのため、振動周波数が小さい場合には、給電したい空間距離に適した振動周波数の設計が重要である。式４を用いれば、給電したい空間距離ｄ（ｃｍ）に応じた無線送電器の動作周波数ｆ（ＭＨｚ）を求めることができる。すなわち、式４を用いれば、給電したい空間距離ｄ（ｃｍ）を満足する最適な周波数を計算して無線送電器を設計することが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、第１または第２の実施形態の効果に加えて、給電したい空間距離ｄを満足する最適な周波数を計算して無線送電器を設計することが可能となる。その結果、システムの設計コストを低減することが可能となる。

（実施例１）
次に、第１の実施形態の一例である実施例１について図２１を用いて説明する。実施例１は、移動体の間で電力を融通し合う例である。

図２１のように、実施例１では、移動体４４１および移動体４４２は、海水４００内を移動する。例えば、移動体４４１および移動体４４２は、自律型無人潜水機（以下、ＡＵＶ）などの潜水機である（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）。

移動体４４１は、無線給電システム４１１および無線受電器４８１を備える移動体である。同様に、移動体４４２は、無線給電システム４１２および無線受電器４８２を備える移動体である。無線給電システム４１１および無線給電システム４１２は、第１の実施形態に係る無線給電システムであり、給電対象である移動体に設置された無線受電器を介して電力を給電する。また、無線受電器４８１および無線受電器４８２は、上述の無線給電システムから電力を受電する機能を有する。

次に、本実施例の移動体４４１および移動体４４２の動作について図２２を参照しながら説明する。以下においては、移動体４４２のバッテリー残量の方が少ないものとする。

図２２において、まず、移動体４４１と移動体４４２とは、海中音響通信等の通信手段を通じて、相手の移動体のバッテリー残量に関する情報を共有する（ステップＳ２１）。

ここでは、移動体４４２のバッテリー残量の方が少なくなっていると判断されるため、バッテリー残量が多い方の移動体４４１は、海中音響通信等の通信手段を通じて、バッテリー量が少ない方の移動体４４２に接近する（ステップＳ２２）。なお、移動体４４１のバッテリー量の方が少なくなっていると判断された場合は、バッテリー残量が多い方の移動体４４２が、バッテリー残量が少ない方の移動体４４１に接近する。また、バッテリー残量が同程度の場合は、互いに給電し合わないようにしてもよいし、必要に応じていずれかに給電するようにしてもよい。

次に、移動体４４１は、無線給電システム４１１によって、無線受電器４８１を介して移動体４４２に給電する（ステップＳ２３）。なお、移動体４４１のバッテリー残量の方が少ない場合は、移動体４４２が、無線給電システム４１２によって、無線受電器４８２を介して移動体４４１に給電する。

以上が、本実施例の動作についての説明である。

本実施例によれば、潮力・浮力等が発生する海中であっても、一方の移動体から他方の移動体へ安定して無線給電することを可能とする無線給電システムを提供できる。その結果、海中において擬似的な電力ネットワークを形成することが可能となる。

なお、本実施例においては、２台の移動体間で電力を融通し合う例を挙げたが、３台以上の移動体間で電力を融通し合う電力ネットワークを形成してもよい。

（実施例２）
次に、第１の実施形態の一例である実施例２について図２３を用いて説明する。実施例２は、少なくとも一つの移動体および固定型センサ（情報収集機器とも呼ぶ）によって収集される情報に基づいて、各移動体と固定型センサとの間で電力を融通し合う例である。

図２３のように、実施例２では、移動体５４１、移動体５４２、海底センサ５６０および管理センタ５４０によって情報収集システム５１０を構成する。

移動体５４１は、実施例１の移動体４４１と同様の無線給電システム５１１および無線受電器５８１を備え、海水５００内を移動する。同様に、移動体５４２は、実施例１の移動体４４２と同様の無線給電システム５１２および無線受電器５８２を備え、海水５００内を移動する。

海底センサ５６０は、例えば、水温計や震度計、石油漏れ検知センサ、侵入検知センサ等の固定型センサである。なお、海底センサ５６０も、移動体５４１および移動体５４２と同様の無線受電器（図示しない）を備えるものとする。

管理センタ５４０は、移動体５４１、移動体５４２および海底センサ５６０によって収集される情報を統合的に管理する。例えば、管理センタは、洋上の母船等である。

次に、本実施例の情報収集システム５１０の動作について，図２４のフローチャートを参照しながら説明する。

図２４において、まず、移動体５４１と、移動体５４２と、海底センサ５６０との間で、海中音響通信等の通信手段を通じて、移動体５４１、移動体５４２および海底センサ５６０のバッテリー残量に関する情報を共有する（ステップＳ３１）。なお、管理センタ５４０から、移動体５４１、移動体５４２および海底センサ５６０のバッテリー残量を各機器に提供するようにしてもよい。

次に、移動体５４１、移動体５４２および海底センサ５６０のいずれかのバッテリー残量が少なくなっていると判断された場合、移動体５４１または移動体５４２のいずれかが、バッテリー量が少なくなっている対象に接近する（ステップＳ３２）。

次に、移動体５４１または移動体５４２が、無線給電システム５１１または無線給電システム５１２を通じて、バッテリー残量が少なくなっている対象に無線受電器を介して電力を給電する（ステップＳ３３）。このとき、移動体５４１、移動体５４２および海底センサ５６０のうちいずれかは、自身の無線受電器を通じて受電する。

そして、移動体５４１、移動体５４２および海底センサ５６０は、収集した海中や海底の調査情報を海中音響通信等の方法を通じて管理センタ５４０に送信する（ステップＳ３４）。

以上が、本実施例の動作についての説明である。

本実施例によれば、移動体から海中を調査するための移動体や固定型センサなどの機器に安定して無線給電することができる情報収集システムを提供することができる。その結果、海中を調査するための移動体または固定型センサの充電に掛かる時間を削減でき、稼働コストの低い海中調査システムを提供することが可能となる。

なお、本実施例においては、２台の移動体と１台の固定型センサとの間で電力を融通し合う例を挙げたが、移動体が３台以上、固定型センサが少なくとも１台であってもよい。また、移動体が１台、固定型センサが少なくとも１台であってもよい。

（実施例３）
次に、第１の実施形態の一例である実施例３について図２５を用いて説明する。実施例３は、実施例２の変形例であり、洋上の母船が管理センタおよび無線給電システムを搭載する。また、実施例３では、無線給電システムを搭載する固定型給電ステーションである海底充電ステーション６８０が海中に設置されている。

図２５のように、実施例３では、移動体６４１、移動体６４２、海底センサ６６０および海底充電ステーション６８０および管理センタ（移動体６４１）によって情報収集システム６１０を構成する。

移動体６４１は、第１の実施形態に係る無線給電システム１１の機能を有する無線給電システム６１１を備え、海水６００上を移動する。また、移動体６４１は、管理センタの機能を有し、移動体６４１、移動体６４２および海底センサ６６０により収集される情報を統合的に管理する。移動体６４１としては、洋上の母船を想定している。

移動体６４２は、実施例１の移動体４４２と同様の無線給電システム６１２と、他の機器の無線給電システムからの給電を受ける無線受電器６８２とを備え、海水６００内を移動する。移動体６４２は、実施例１および実施例２の移動体と同様にＡＵＶを想定している。

海底充電ステーション６８０は、海底に設置される充電ステーションであり、第１の実施形態に係る無線給電システム１１の機能を有する無線給電システム６１３を備える。海底充電ステーション６８０は、例えば、海底ケーブルや海底地熱発電機などの電力源と接続されている。なお、海底充電ステーション６８０は、海底に設置されてもよいし、海底から離れた海中に設置されてもよい。

実施例３の情報処理システム６１０は、実施例２の情報処理システム５１０と同様の動作によって、実施例３と同様の効果を得ることができる。

以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１１、１２、２１、３１ 無線給電システム
１１１、１１２、１１３、１１４、２１１、２１２、３１１、３１２ 無線送電器
１２１、１２２、２２１、２２２、３２１、３２２ 移相器
２００ 微小ダイポールアンテナ
４００、５００、６００ 海水
４１１、４１２、５１１、５１２、６１１、６１２ 無線給電システム
４４１、４４２、５４１、５４２、６４１、６４２ 移動体
４８１、４８２、５８１、５８２、６８２ 無線受電器
５６０、６６０ 海底センサ
６８０ 海底充電ステーション

Claims (10)

1. 複数の無線送電器と、
   前記複数の無線送電器のうちいずれかの入力端に接続され、前記無線送電器に入力される高周波信号の位相を可変にする少なくとも一つの移相器とを備え、
   前記複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相を前記移相器によって所定の位相差に設定してポインティングベクトルの向きを制御する無線給電システム。
2. 前記移相器は、前記複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相がほぼ逆相になるように設定する請求項１に記載の無線給電システム。
3. 前記移相器は、前記所定の位相差が１８０°になるように設定する請求項１または２に記載の無線給電システム。
4. 前記複数の無線送電器の送電面の法線のなす角によって、前記ポインティングベクトルの空間的な制御範囲が設定される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の無線給電システム。
5. 前記複数の無線送電器のうち少なくとも二つの無線送電器の送電面の法線のなす角が０°以上９０°以下になるように配置される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の無線給電システム。
6. 前記複数の無線送電器のうち少なくとも二つの無線送電器の送電面の法線のなす角が０°になるように配置される請求項５に記載の無線給電システム。
7. 前記複数の無線送電器のうち少なくとも二つの無線送電器の送電面の法線のなす角が９０°になるように配置される請求項５に記載の無線給電システム。
8. 前記無線送電器と給電対象との間の空間距離と、前記無線送電器の動作周波数とが、
   （０．２×ｄ／４０）＜（１／√ｆ）＜（１．５×ｄ／４０）
   ただし、
   ｄ：空間距離（ｃｍ）
   ｆ：無線送電器の動作周波数（ＭＨｚ）
   なる不等式の条件を満たす請求項１乃至７のいずれか一項に記載の無線給電システム。
9. 複数の無線送電器と、前記複数の無線送電器のうちいずれかの入力端に接続され、前記無線送電器に入力される高周波信号の位相を可変にする少なくとも一つの移相器とを有し、前記複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相を前記移相器によって所定の位相差に設定してポインティングベクトルの向きを制御する無線給電システムを搭載する移動体。
10. 複数の無線送電器と、前記複数の無線送電器のうちいずれかの入力端に接続され、前記無線送電器に入力される高周波信号の位相を可変にする少なくとも一つの移相器とを有し、前記複数の無線送電器に入力する高周波信号の位相を前記移相器によって所定の位相差に設定してポインティングベクトルの向きを制御する無線給電システムを搭載する移動体と、
    前記移動体から無線給電される少なくとも一つの情報収集機器と、
    前記移動体および前記情報収集機器によって収集される情報を統合的に管理する管理センタとを備える情報収集システム。