JP2016127678A - 給電システム、移動体および給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給電対象である移動体を給電位置に精度よく誘導し、誘導した移動体に対して水中で給電することを可能とする給電システムを提供する。【解決手段】水中環境下において指向性を有する送信アンテナを有し、送信アンテナから電磁界エネルギーを送信する給電装置と、水中環境下において指向性を有する受信アンテナを有し、給電装置から送信された電磁界エネルギーを受信する移動体とを備える給電システムとする。移動体は、受信アンテナが受信する電磁界エネルギーが大きくなる方向に自身を導き、給電装置から無線給電を受ける給電位置に自身を誘導する制御手段を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、給電システム、移動体および給電装置に関する。特に、水中で給電を行う給電システム、移動体および給電装置に関する。

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が注目されている。このような海底資源の探索には、海中を航行できる無人潜水艇（以下、ＵＵＶ）が用いられる（ＵＵＶ：Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）。一般に、ＵＵＶは、航行用の電池を搭載している。

通常、ＵＵＶの電池には一次電池や二次電池が用いられる。ＵＵＶの電池残量が少なくなった場合、一次電池では電池交換が必要となり、二次電池では充電が必要となる。一次電池および二次電池のいずれであっても、ＵＵＶの荷重に耐えうる大型クレーンによってＵＵＶを支援母船に引き揚げた後に、電池交換や充電が実施される。

しかしながら、ＵＵＶの運用時間延長やメンテナンスコスト抑制の観点から、ＵＵＶを支援母船に引き揚げずに海中で給電することが求められる。なぜならば、海中でＵＵＶに給電することが可能になれば、海上にＵＵＶを引き上げて電池交換や充電を行い、再びＵＵＶを海中に戻す作業を簡略化できるからである。さらに、海中でＵＵＶに給電することができれば、ＵＵＶを支援母船に引き揚げるための大型クレーンが不要になるため、母船の設備を簡略化することもできる。

海中においては、送電器と受電器とが接触しなくても給電できる無線給電が適している。第一の理由は、無線給電によれば、送電器と受電器とを互いに固定するための固定手段を省略できるからである。第二の理由は、海中では送受電を行う部位に貝や藻などが付着することによって送電器と受電器とが接触できなくなることが想定されるためである。しかしながら、海水中で無線給電する際には、海水が４Ｓ／ｍ程度の高い導電率を有するため、電磁波の電磁エネルギーの損失が大きく、高効率・長距離な給電を行うことが難しいという問題点がある。

特許文献１には、海水中であっても高効率・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によって定まる周波数で共振させることによって電力伝送を行う。特許文献１の電力伝送装置によれば、図２４のように、海水１００中に、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１０３を形成することが可能となる。そのため、特許文献１の電力伝送装置によれば、高い導電率を有す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。なお、ポインティングベクトルは、エネルギーフローとも呼ばれ、磁界と電界の積である。図２４中には、電界１０５を併せて示している。

ところで、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ためには、無線送電器と無線受電器とを互いに適切な位置関係に合わせる必要がある。

特許文献２には、相対位置を接触センサによって検出し、海水中で給電することができる親子式自律型潜水機システムが開示されている。特許文献２の親子式自律型潜水機システムでは、親潜水機が、子潜水機から送信される接続準備信号に応答して、親音響トランスポンダから信号を送信しつつ所定の速度・方位・深度で航行する。子潜水機は、親音響トランスポンダからの信号をホーミングして親潜水機に接近し、親潜水機に設けられたガイドによってお互いの結合部の位置が一致するように誘導される。子潜水機は、親潜水機のガイドに設けられた接触センサで検出された検出情報に基づいて、お互いの結合部の相対位置を検出し、自身の結合部を親潜水機の結合部に押し付ける。親潜水機および子潜水機の結合部が嵌合されると充電用接続部が当接し合うため、親潜水機から子潜水機へと充電することができる。

国際公開第２０１４／０３４４９１号 特許第４５８５３６７号公報

特許文献２の親子式自律型潜水機システムによれば、子潜水機を海水中から引き上げなくても親潜水機から子潜水機へと給電することができる。しかしながら、特許文献２の親子式自律型潜水機システムでは、子潜水機を親潜水機に正確に誘導することが難しいという問題点がある。なぜならば、ソナーの測位精度は数１０ｃｍ程度しかないため、子潜水機は、親音響トランスポンダからの信号をホーミングした際に、親潜水機のガイドの位置を正確に把握することができないためである。また、親潜水機に子潜水機が接近すると、親潜水機と子潜水機との間における反射などに起因したマルチパスが原因となって、正確な測位が難しくなってしまう。また、音響の代わりに可視画像などの光を用いる誘導方法もあるが、海中のように透明度が低い環境下において実現することは難しい。

本発明は、給電対象である移動体を給電位置に精度よく誘導し、誘導した移動体に対して水中で給電することを可能とする給電システムを提供することを目的とする。

本発明の給電システムは、水中環境下において指向性を有する送信アンテナを有し、送信アンテナから電磁界エネルギーを送信する給電装置と、水中環境下において指向性を有する受信アンテナを有し、給電装置から送信された電磁界エネルギーを受信する移動体とを備え、移動体は、受信アンテナが受信する電磁界エネルギーが大きくなる方向に自身を導き、給電装置から無線給電を受ける給電位置に自身を誘導する制御手段を有する。

本発明の移動体は、水中環境下において指向性を有し、給電装置から送信された電磁界エネルギーを受信する受信アンテナと、受信アンテナが受信した電磁界エネルギーが大きくなる方向に自身を導き、給電装置から無線給電を受ける給電位置に誘導する制御手段とを備える。

本発明の給電装置は、電磁界エネルギーを発生する電磁界エネルギー発生手段と、水中環境下において指向性を有し、電磁界エネルギーに導かれる移動体に向けて電磁界エネルギーを送信する送信アンテナと、電磁界エネルギーが大きくなる方向に導かれて無線給電を受ける給電位置に誘導された移動体に給電する給電手段とを備える。

本発明によれば、給電対象の移動体を給電位置に精度よく誘導し、誘導した移動体に対して水中で給電することを可能とする給電システムを提供することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る給電システムの構成を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る給電システムの水中給電ステーションの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る給電システムの潜水艇の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る給電システムの潜水艇が有する制御手段の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る送信アンテナおよび受信アンテナの構成の一例を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る送信アンテナと受信アンテナとの間の横方向の位置ずれを説明するための概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る送信アンテナと受信アンテナとの間の横方向の位置ずれ割合と受信アンテナが受信する受電力との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る送信アンテナと受信アンテナとの距離を説明するための概念図である。 本発明の第１の実施形態に係る送信アンテナと受信アンテナとの距離と、受信アンテナが受信する受電力との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る給電システムの動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る給電システムの変形例１における水中給電ステーションの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る給電システムの変形例１における潜水艇の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る給電システムの変形例２における水中給電ステーションの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る給電システムの変形例２における潜水艇の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る給電システムの送信アンテナの構成例を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態に係る給電システムの受信アンテナの構成例を示す概念図である。 送信アンテナと受信アンテナとの間でマルチパスが発生する場合の電磁界エネルギーについて説明するための概念図である。 本発明の第３の実施形態に係る給電システムの送信アンテナと受信アンテナとの距離を受電力または可変通信レートで判断する場合のグラフである。 本発明の第４の実施形態に係る給電システムの送信アンテナおよび受信アンテナの構成を示す概念図である。 第４の実施形態に係る給電システムにおける電磁界エネルギーの流れをシミュレーションした結果の一例である。 本発明の第４の実施形態に係る給電システムの変形例の送信アンテナおよび受信アンテナの構成を示す概念図である。 本発明の第４の実施形態に係る給電システムの別の変形例の送信アンテナおよび受信アンテナの構成を示す概念図である。 本発明の第４の実施形態に係る給電システムの別の変形例における給電効率について説明するためのグラフである。 無線送電器と無線受電器との間に鉛直なポインティングベクトルを形成させる一例について説明するための概念図である。

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。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由が無い限り、同様箇所には同一符号を付し、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る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の実施形態に係る給電システム１の構成を示す概念図である。図１のように、本実施形態に係る給電システム１は、海水（良導体媒体とも呼ぶ）などの水の中に設置された水中給電ステーション１０（給電装置とも呼ぶ）から、海中のような水中を航行できる潜水艇２０（移動体とも呼ぶ）に無線給電する給電システムである。

〔水中ステーション〕
図２は、本実施形態に係る水中給電ステーション１０の構成を示すブロック図である。図２のように、水中給電ステーション１０は、送信アンテナ１１、給電手段１３、電磁界エネルギー発生手段１７を備える。

送信アンテナ１１は、海中などの水中環境下において指向性を有する。送信アンテナ１１は、電磁界エネルギー発生手段１７と接続されており、電磁界エネルギー発生手段１７が発生させた電磁化エネルギー３０を海中に送信する。

なお、図１においては、送信アンテナ１１を１台とする例を示しているが、送信アンテナ１１を２台以上としてもよい。また、送信アンテナ１１は、誘導用の電磁界エネルギー３０だけでなく、潜水艇２０と通信するための通信用アンテナとして利用してもよいし、給電用途の送電アンテナとして利用してもよい。

給電手段１３は、送信アンテナ潜水艇２０に給電を行うための手段である。給電手段１３は、外部電力や蓄電池などの電源に接続され、潜水艇２０に無線給電するためのアンテナを有する。給電手段１３は、例えば１〜３００ｋＨｚの周波数帯の電磁波を用いて無線給電を行う。この周波数帯により、０．１〜１ｍ程度の高効率な給電が可能になる。なお、送信アンテナ１１から無線給電することができる場合は、給電手段１３を省略してもよい。

通信手段１５（第１の通信手段とも呼ぶ）は、潜水艇２０と通信を行うため手段である。通信手段１５は、潜水艇２０に対して水中給電ステーション１０の位置を通知したり、潜水艇２０の位置を受信したり、潜水艇２０を水中給電ステーション１０まで誘導したりするための通信機能を有する。通信手段１５は、例えば１〜３００ｋＨｚの周波数帯の電磁波を用いた無線通信や超音波、有線で通信を行う。給電用の周波数と通信用の周波数とを同一周波数帯とすることで、周波数発生器などを共用することが可能になり、低コストになる。通信手段１５は、慣性航法システムやソナー測位システムなどを実現するための通信機能を備えていてもよい。なお、送信アンテナ１１が通信機能を有する場合は、通信手段１５を省略してもよい。

電磁界エネルギー発生手段１７は、潜水艇２０を誘導するための電磁界エネルギー３０を発生する。電磁界エネルギー発生手段１７は、例えば１〜３００ｋＨｚ程度の波長帯の電磁界エネルギーを発生させる。電磁界エネルギー発生手段１７は、送信アンテナ１１に接続され、自身が発生させた電磁界エネルギー３０を送信アンテナ１１に送る。なお、電磁界エネルギー発生手段１７は、電磁界エネルギー３０として、正弦波のＣＷ信号や、可変通信レートのデジタル通信信号を送信してもよい（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）。

〔潜水艇〕
図３は、本実施形態に係る潜水艇２０の構成を示すブロック図である。

潜水艇２０は、受信アンテナ２１、制御手段２２、受電手段２３、蓄電手段２４、通信手段２５、水中給電ステーション１０から送信された電磁界エネルギー３０を受信する受信手段２７を備える。

受信アンテナ２１は、海中などの水中環境下において指向性を有する。受信アンテナ２１は、水中給電ステーション１０が発生させた電磁界エネルギー３０を受信する。受信アンテナ２１は、例えば１〜３００ｋＨｚ程度の波長帯の電磁界エネルギーを受信する。受信アンテナ２１は、受信手段２７と接続されており、受信した電磁界エネルギー３０を受信手段２７に送る。

なお、図３において、受信アンテナ２１を１台とする例を示しているが、受信アンテナ２１を２台以上としてもよい。また、受信アンテナ２１は、誘導用の電磁界エネルギー３０だけでなく、水中給電ステーション１０と通信するための通信用アンテナとして利用してもよい。また、受信アンテナ２１は、給電用途の受電アンテナとして利用してもよい。

制御手段２２は、水中給電ステーション１０に潜水艇２０を誘導するように制御する手段である。また、図４のように、制御手段２２は、受信手段２２が受信した信号に基づいて潜水艇２０を誘導する誘導機能２８を有する。制御手段２２は、受信アンテナ２１が受信した電磁界エネルギー３０を解析する。そして、制御手段２２は、誘導機能２８によって、受信アンテナ２１の受電力が大きくなる方向に潜水艇２０を導く。

なお、制御手段２２は、受信アンテナ２１の受電力が最大となる位置に潜水艇２０を誘導することが望ましいが、給電手段１３から受電手段２３への給電が可能となる位置に潜水艇２０を誘導しさえすればよい。給電手段１３から受電手段２３への給電を開始する閾値は、受信アンテナ２１が受電する電磁界エネルギー３０の受電力で設定すればよい。

制御手段２２は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、補助記憶装置を備えるコンピュータによって実現できる。ＣＰＵは、プログラムを不揮発性記憶装置や補助記憶装置から読み出して実行する。ＲＯＭには、潜水艇２０を適切な位置に誘導するための基本プログラムが記憶されている。ワークエリアとしてのＲＡＭには、データが一時的に格納される。補助記憶装置には、後述するデータ処理における処理ルーチンを実行するためのプログラムが記憶されている。

制御手段２２は、例えば、誘導制御を実行するための専用のコンピュータやマイクロコンピュータなどの情報処理装置によって実現される。また、制御手段２２は、例えば、デスクトップＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、ノートＰＣ、タブレット、スマートフォンなどの情報処理装置によって実現してもよい。

受電手段２３は、水中給電ステーション１０から給電された電力を受電する手段である。受電手段２３は、水中給電ステーションからの無線給電を受けるためのアンテナを有する。受電手段２３は、制御手段２２の制御によって、水中給電ステーション１０の給電手段１３からの給電を受けやすい位置に誘導される。受電手段２３は、例えば１〜３００ｋＨｚの波長帯の電磁波を用いた無線給電を受ける。受電手段２３は、蓄電手段２４に接続され、受電した電力を蓄電手段２４に送る。なお、受信アンテナ２１が無線給電を受けることができる場合は、受電手段２３を省略してもよい。

蓄電手段２４は、受電手段２３に接続され、受電手段２３が受電した電力を蓄電する手段である。蓄電手段２４は、例えば鉛蓄電池やリチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドニウム蓄電池、酸化銀・亜鉛蓄電池などの蓄電池によって実現される。なお、受信アンテナ２１が無線給電を受けることができる場合、蓄電手段２４は、受信アンテナ２１に接続される。

通信手段２５（第２の通信手段とも呼ぶ）は、水中給電ステーション１０と通信を行うための手段である。また、通信手段２５は、潜水艇２０の母船と通信するためにも使われる。通信手段２５は、水中給電ステーション１０に対して潜水艇２０の位置を通知したり、水中給電ステーション１０の位置を受信したり、潜水艇２０を水中給電ステーション１０まで誘導したりするための通信機能を有する。通信手段２５は、例えば１〜３００ｋＨｚ帯の電磁波を用いた無線通信や超音波、有線で通信を行う。通信手段２５は、慣性航法システムやソナー測位システムなどを実現するための通信機能を備えていることが好ましい。なお、受信アンテナ２１が通信機能を有する場合は、通信手段２５を省略してもよい。

受信手段２７は、水中給電ステーション１０から送信された電磁界エネルギー３０を受信する。受信手段２７は、受信アンテナ２１および制御手段２２と接続される。受信手段２７は、受信アンテナ２１から電磁界エネルギー３０を受け取ると、受け取った電磁界エネルギー３０を制御手段２２に送信する。なお、受信手段２７は、電磁界エネルギー３０そのものではなく、電磁界エネルギー３０に関する情報を制御手段２２に送るようにしてもよい。

〔アンテナ〕
図５に、本実施形態の送信アンテナ１１および受信アンテナ２１を構成するアンテナの一例を示す。

本実施形態のアンテナは、例えばコイルを含む。本実施形態のアンテナを構成するコイルは、銅線などの導体を螺旋状や渦巻状に一巻き以上巻いたものであり、一般的なヘリカルコイルやスパイラルコイルなどを用いることができる。ただし、本実施形態のアンテナに含まれるコイルは、電磁界エネルギー３０を送受信できるものであればよく、コイルの材質や形状、巻き数、長さ、太さなどに関して特に限定はしない。

なお、送信アンテナ１１および受信アンテナ２１を給電や通信に用いる場合は、複数種類の電磁波を送受信できるように、複数の種類の材質や形状、巻き数、長さ、太さなどからなるコイルを組み合わせてもよい。また、コイルの材質や形状、巻き数、長さ、太さなどを変えずに、コイルで送受信する電磁波の種類を変更できるように構成してもよい。

〔潜水艇の誘導〕
ここで、潜水艇２０を適切な給電位置に誘導する原理について、図６〜図９を参照しながら詳細に説明する。

図６は、海中環境下において指向性を有する送信アンテナ１１と、海中環境下において指向性を有する受信アンテナ２１との横方向の位置ずれについて説明するための概念図である。図７は、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１との横方向の位置ずれ割合と、受信アンテナ２１の受電力との関係を検証した実験データである。なお、横方向の位置ずれ割合は、以下の式１によって求められる。ただし、式１におけるＡおよびＢは、図６において、Ａは送信アンテナ１１や受信アンテナ２１の横方向の長さ、Ｂは送信アンテナ１１と受信アンテナ２１の横方向の位置ずれを示す。
（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００・・・（１）
図８は、海中環境下において指向性を有する送信アンテナ１１と、海中環境下において指向性を有する受信アンテナ２１との間の鉛直方向の距離について説明するための概念図である。図９は、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１の距離と、受信アンテナ２１の受電力との関係を検証した実験データである。

図６や図８のように、電磁界エネルギー３０は、送信アンテナ１１から受信アンテナ２１に向かって送信される。電磁界エネルギー３０は指向性を有するため、図７のように、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１との間における横方向のずれが大きくなるにつれて、受信アンテナ２１の受電力が低下していく。また、図９のように、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１の距離が大きくなるにつれて、受信アンテナ２１の受電力が低下していく。

図７から、受信アンテナ２１の受電力は、横方向の位置ずれ割合が大きくなるにつれて単調減少することがわかる。また、図９から、受信アンテナ２１の受電力は、鉛直方向の距離が大きくなるにつれて単調減少することがわかる。

図７および図９から、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１との間における横方向のずれを小さくし、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１との間の鉛直方向の距離が小さくすれば、受信アンテナ２１の受電力が大きくなることがわかる。すなわち、受電力が最大となる給電位置に受信アンテナ２１を誘導すれば、最も効率的に給電できる。

以上のように、受信アンテナ２１の受電力が大きくなる方向に潜水艇２０を誘導することによって、水中給電ステーション１０から潜水艇２０への給電が可能となる。また、本実施形態においては、無線給電によって給電を行うため、水中給電ステーション１０に対して潜水艇２０を固定する必要がない。

以上が、本実施形態に係る給電システム１の構成についての説明である。

＜動作＞
次に、本実施形態に係る給電システム１の動作について、図１０のフローチャートを参照しながら説明する。

図１０において、まず、潜水艇２０は、慣性航法システムやソナー測位システムなどを用いて水中ステーション２０近傍まで移動する（ステップＳ１１）。

次に、潜水艇２０は、通信手段２５によって、水中給電ステーション１０に向けて「電磁界エネルギー送信開始」の信号を送信する（ステップＳ１２）。

次に、水中給電ステーション１０は、潜水艇２０が送信した「電磁界エネルギー送信開始」信号を受信すると、電磁界エネルギーを送信する（ステップＳ１３）。

次に、潜水艇２０の制御手段２２は、水中給電ステーション１０が送信した電磁界エネルギーを受信すると、受信する電磁界エネルギーが大きくなる方向に潜水艇２０を誘導する（ステップＳ１４）。

ここで、潜水艇２０の受信アンテナ２１で受信される電磁界エネルギーが閾値以上に到達すると、潜水艇２０は、通信手段２５を介して給電を開始することを求める信号を送信する（ステップＳ１５）。なお、受信アンテナ２１が受信する電磁界エネルギーの閾値は、蓄電手段２４の容量を基に設定すればよい。

水中給電ステーション１０は、潜水艇２０からの給電開始を求める信号を通信手段１５で受信すると、給電手段１３によって給電を開始する（ステップＳ１６）。潜水艇２０は、水中給電ステーション１０の給電手段１３からの給電を受電手段２３で受電し、受電した電力を蓄電手段２４に蓄電する。

以上が、本実施形態に係る給電システム１の動作についての説明である。なお、図１０のフローチャートに沿った動作は一例であって、状況に応じて、必要な処理を追加したり、不要な処理を削除したりしてもよい。また、水中給電ステーション１０から潜水艇２０への給電は、無線給電によって行われることを想定しているが、水中給電ステーション１０の一部と潜水艇２０の一部とが接触していてもよい。

以上のように、本実施形態においては、指向性を有するアンテナを用い、受信したエネルギー量の大小で潜水艇の誘導方向を決定する。その結果、本実施形態によれば、給電装置である水中ステーションに給電対象の移動体である潜水艇を精度よく誘導し、水中ステーションに潜水艇を固定させなくても給電することが可能となり、海中の潜水艇に対しても給電を行うことが可能となる。

ここで、第１の実施形態に係る給電システム１の変形例について説明する。

（変形例１）
図１１および図１２は、第１の実施形態に係る給電システム１の変形例１に関するブロック図である。

図１１は、変形例１の水中給電ステーション１０−１の機能構成を示すブロック図である。水中給電ステーション１０−１では、送信アンテナ１１−１が通信機能１５０を有する。通信機能１５０は、通信手段１５の機能を有する。そのため、送信アンテナ１１−１を通信用とのアンテナとして用いることができ、図２の通信手段１５を省略できる。

図１２は、変形例１の潜水艇２０−１の機能構成を示すブロック図である。潜水艇２０−１では、受信アンテナ２１−１が通信機能２５０を有する。通信機能２５０は、通信手段２５の通信機能を有する。そのため、受信アンテナ２１−１を通信用とのアンテナとして用いることができ、図３の通信手段２５を省略できる。

以上のように、変形例１によれば、送信アンテナおよび受信アンテナに通信機能をもたせ、通信専用のアンテナを省くことによって低コストにすることができる。なお、送信アンテナおよび受信アンテナのうち少なくともいずれか一方に通信機能をもたせるように構成してもよい。

（変形例２）
図１３および図１４は、第１の実施形態に係る給電システム１の変形例２に関するブロック図である。

図１３は、変形例２の水中給電ステーション１０−２の機能構成を示すブロック図である。水中給電ステーション１０−２では、送信アンテナ１１−２が給電機能１３０を有する。給電機能１３０は、給電手段１３の機能である。そのため、送信アンテナ１１−２を給電用とのアンテナとして用いることができ、図２の給電手段１３を省略できる。

図１４は、変形例２の潜水艇２０−２の機能構成を示すブロック図である。潜水艇２０−２では、受信アンテナ２１−２が受電機能２３０を有する。受電機能２３０は、受電手段２３の機能である。そのため、受信アンテナ２１−２を受電用とのアンテナとして用いることができ、図３の受電手段２３を省略できる。

以上のように、変形例２によれば、送信アンテナに給電機能をもたせ、受信アンテナに受電機能をもたせる。給電線用および受電専用のアンテナを省くことによって低コストにすることができる。なお、送信アンテナおよび受信アンテナのうち少なくともいずれか一方に給電・受電機能をもたせてもよい。

なお、変形例１および変形例２では、送信アンテナおよび受信アンテナのうち少なくとも一方に通信機能または給電・受電機能をもたせる例を示した。送信アンテナおよび受信アンテナのうち少なくとも一方に通信機能および給電・受電機能をもたせてもよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る給電システムについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る給電システムは、送信アンテナおよび受信アンテナの構成が第１の実施形態とは異なる。なお、本実施形態に係る給電システムは、送信アンテナおよび受信アンテナの構成以外は第１の実施形態に係る給電システム１０と同様であり、給電システム１０と同様の動作をする。

図１５および図１６は、本実施形態に係る給電システムのアンテナに関する概念図である。

図１５は、本実施形態の送信アンテナ１１０である。送信アンテナ１１０は、第１のアンテナ１１１、第２のアンテナ１１２、第３のアンテナ１１３、第４のアンテナ１１４を含む。すなわち、送信アンテナ１１０は、複数のアンテナを含む。なお、図１５は一例であって、送信アンテナ１１０は、少なくとも二つの送信アンテナを含むように構成すればよい。

図１５の送信アンテナ１１０においては、例えば制御手段（図示しない）によって第１〜第４のアンテナ１１１〜１１４の各々から送信する電磁界エネルギーの大きさや向きを制御し、電磁界エネルギー３００の方向を任意の方向に向けることができる。

図１６は、第２の実施形態の受信アンテナ１２０である。受信アンテナ１２０は、第１のアンテナ１２１、第２のアンテナ１２２、第３のアンテナ１２３、第４のアンテナ１２４を含む。すなわち、受信アンテナ１２０は、複数のアンテナを含む。なお、図１６は一例であって、受信アンテナ１２０は、少なくとも二つの受信アンテナを含むように構成すればよい。

図１６の受信アンテナ１２０によれば、例えば制御手段２２によって受信手段２７を制御し、任意の方向から電磁界エネルギー３００を受信することができる。

以上の本実施形態においては、送信アンテナを複数のアンテナで構成し、電磁界エネルギーの送信方向を任意の方向に制御できる。そのため、送信アンテナと受信アンテナとの間に正対する箇所が無い状態であっても潜水艇の誘導を開始することができる。同様に、受信アンテナを複数のアンテナで構成した場合も、任意の方向から電磁界エネルギーを受電することができるため、送信アンテナと受信アンテナとの間に正対する箇所が無い状態であっても潜水艇の誘導を開始することができる。送信アンテナおよび受信アンテナの両方が複数のアンテナで構成されていれば、電磁界エネルギーの送受信の方向を任意に設定できるため、潜水艇を適切な給電位置に誘導しやすくなる。なお、送信アンテナおよび受信アンテナのうちいずれか一方が複数のアンテナで構成され、他方が単一のアンテナで構成されていてもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る給電システムについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る給電システムは、送信アンテナと受信アンテナの距離を電磁界エネルギーの受電力ではなく、デジタル信号の通信レートによって判断する点が第１の実施形態と異なる。なお、本実施形態に係る給電システムは、第１の実施形態に係る給電システム１０と同様の構成を有し、給電システム１０と同様の動作をする。

図１７は、本実施形態の送受信アンテナに関する概念図である。また、図１８は、送信アンテナと受信アンテナの距離を受電力によって判断する場合と、デジタル信号の通信レートによって判断する場合とを比較するグラフである。なお、図１８において、実線は、マルチパスの影響がある場合の受電力の距離依存性を示す。また、図１８において、破線は、マルチパスの影響がある場合の受電力の距離依存性と、可変通信レートの距離依存性とを示す。

本実施形態において、水中給電ステーション１０は、電磁界エネルギー発生手段１７によって、可変通信レートのデジタル信号を発生させる。水中給電ステーション１０は、送信アンテナ１１から、電磁界エネルギー発生手段１７が生成した可変通信レートのデジタル信号を海中に送信する。

潜水艇２０は、受信アンテナ２１によって、送信アンテナ１１から送信されたデジタル信号を受信する。潜水艇２０の制御手段２２は、受信したデジタル信号の通信レートを解析し、通信レートが高くなる方向に潜水艇２０が誘導されるように制御する。

図１７のように、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１の距離が小さい場合、受電力（実線）で距離を判断すると、受信アンテナ２１がマルチパスに起因する電磁界エネルギー３１を受信することがある。図１８のように、距離が小さい場合、受信アンテナ２１はマルチパスに起因する電磁界エネルギー３１を余分に受信してしまうため、距離が小さくなるにつれて受電力の変化量が小さくなる。その結果、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１の距離を正確に把握しにくくなり、潜水艇２０を正確な給電位置に誘導しにくくなる。

それに対し、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１の距離を通信レートによって判断する場合は、マルチパスの影響がない。そのため、図１８のように、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１の距離が小さくなっても、受信アンテナ２１が受信するデジタル信号の通信レート（破線）の変化量が小さくなることはない。そのため、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１とが近づいても、距離を正確に把握することができ、潜水艇２０を正確な給電位置に誘導することができる。

なお、送信アンテナ１１と受信アンテナ２１の距離は、受信アンテナ２１が受信する電磁界エネルギー３０の受電力と、デジタル信号の通信レートとの両方を用いて判断してもよい。

本実施形態によれば、可変通信レートのデジタル通信信号を用いることによって、マルチパスの影響を除去することが可能になる。その結果、より高い精度で潜水艇を給電場所に誘導することが可能になる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る給電システムについて、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る給電システムは、送信アンテナおよび受信アンテナの構造が第１の実施形態とは異なる。なお、本実施形態に係る給電システムは、送信アンテナおよび受信アンテナの構造以外は第１の実施形態に係る給電システム１０と同様であり、給電システム１０と同様の動作をする。

図１９のように、本実施形態に係る送信アンテナ２１１は、コイル２１３と、コイル２１３を内含する包含部２１７とによって構成される。同様に、本実施形態に係る受信アンテナ２２１は、コイル２２３と、コイル２２３を内含する包含部２２７とによって構成される。

コイル２１３およびコイル２２３は、第１の実施形態に係る給電システム１のコイルと同様の構成をもつ。

包含部２１７および包含部２２７は、それぞれコイル２１３およびコイル２２３を被覆する誘電体である。包含部２１７および包含部２２７は、例えばポリエチレンやポリイミド、フッ素樹脂、アクリルなどの誘電体で構成することが好ましい。なお、包含部２１７および包含部２２７を構成する誘電体は、ここに挙げた限りではない。また、包含部２１７および包含部２２７を構成する誘電体は、複数種類の誘電体材料を組み合わせた構成としてもよい。

なお、本実施形態においては、送信アンテナ２１１と受信アンテナ２２１とを同じ構造としているが、同じ構造としなくてもよい。

図２０は、本実施形態の送信アンテナ２１１および受信アンテナ２２１を用いた場合のポインティングベクトル（電磁界エネルギー３０）の流れをシミュレーションした結果である。なお、図２０においては、三角形または多角形によって表現された矢尻の先端がポインティングベクトルの方向を示す。ポインティングベクトルの強弱は矢尻の濃淡で表しており、濃い矢尻ほど強度が大きく、淡い矢尻ほど強度が小さい。

図２０のように、本実施形態によれば、海中環境下において、送信アンテナ２１１から指向性を有する電磁界エネルギーを放射することが可能になる。その結果、給電場所である水中給電ステーションに給電対象である潜水艇２０を精度よく誘導することができる。

（変形例）
図２１および図２２は、本実施形態の送信アンテナ３１１および受信アンテナ３２１の変形例である。

図２１の変形例の送信アンテナ３１１は、上面コイル３１３（第１のコイルとも呼ぶ）と、底面コイル３１４（第２のコイルとも呼ぶ）と、誘電部３１５と、包含部３１７とによって構成される。

送信アンテナ３１１の上面コイル３１３および底面コイル３１４のそれぞれは、第１の実施形態に係るコイルと同様の構成をもつ。なお、上面コイル３１３の巻線方向と、底面コイル３１４の巻線方向とは、互いに磁界を強めあうような巻線方向に配置されていることが好ましい。誘電部３１５は、上面コイル３１３と底面コイル３１４との間に配置される。包含部３１７は、上面コイル３１３、誘電部３１５および底面コイル３１４を内含する誘電体である。なお、誘電部３１５の比誘電率Ｅ１は、包含部３１７の比誘電率Ｅ２よりも大きいことが好ましい。すなわち、比誘電率Ｅ１と比誘電率Ｅ２とは、以下の式１を満たすことが好ましい
Ｅ１＞Ｅ２・・・（１）
同様に、図２１の変形例の受信アンテナ３２１は、上面コイル３２３と、底面コイル３２４と、誘電部３２５と、包含部３２７とによって構成される。受信アンテナ３２１の上面コイル３２３、底面コイル３２４、誘電部３２５および包含部３２７は、それぞれ送信アンテナ３１１の上面コイル３１３、底面コイル３１４、誘電部３１５および包含部３１７に対応して同様の構成をもつ。

図２１の変形例によれば、上面コイルと底面コイルとを磁界を強めあう向きに配置し、かつ上面コイルと底面コイルとの間に包含部よりも高い誘電率の誘電体を挟むことによって、同一サイズでありながらより低い周波数で動作することが可能になる。その結果、小型でありながら、より高い指向性を有する電磁界エネルギーを放射するアンテナを構成することが可能になる。

図２２の変形例は、図２１の変形例において、上面コイル側と底面コイル側とで包含部の厚みが異なるように構成する例である。

図２２の変形例の送信アンテナ４１１は、上面コイル４１３と、底面コイル４１４と、誘電部４１５と、包含部４１７とによって構成される。同様に、図２２の変形例の受信アンテナ４２１は、上面コイル４２３と、底面コイル４２４と、誘電部４２５と、包含部４２７とによって構成される。

送信アンテナ４１１では、底面コイル４１４側に比べて上面コイル４１３側の包含部４１７の厚みが小さい。同様に、受信アンテナ４２１では、底面コイル４２４側に比べて上面コイル４２３側の包含部４２７の厚みが小さい。すなわち、送信アンテナ４１１および受信アンテナ４２１において、上面コイル側の包含部の厚みＸと、底面コイル側の包含部の厚みＹとの間には、以下の式２の関係が成り立つ。
Ｘ＜Ｙ・・・（２）
図２３は、図２２の変形例について、Ｙ／Ｘと給電効率との関係をプロットしたグラフである。図２３のように、図２２の変形例によれば、底面コイル側の包含部の厚みＹに比べて上面コイル側の包含部の厚みＸを小さくするのにつれて、アンテナにおける損失が低減して給電効率が向上する。その結果、給電効率が向上するため、潜水艇への高効率な給電が可能になる。

以上の本発明の各実施形態に関しては、移動体として潜水艇、給電装置として水中給電ステーションを想定して説明した。しかしながら、本発明の各実施形態に係る移動体および給電装置は、潜水艇および水中給電ステーションに限定されない。例えば、移動体としては、潜水艇の母船や船舶、ロボット、漁船、水夫などを想定することができる。また、例えば、給電装置としては、潜水艇の母船や大型船、ロボット、給電用船舶、発電所、海洋資源開発施設、港湾施設などを想定することができる。

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。

１ 給電システム
１０ 水中給電ステーション
１１ 送信アンテナ
１３ 給電手段
１５ 通信手段
１７ 電磁界エネルギー発生手段
２０ 潜水艇
２１ 受信アンテナ
２２ 制御手段
２３ 受電手段
２４ 蓄電手段
２５ 通信手段
２７ 受信手段
２８ 誘導機能
２１１、３１１、４１１ 送信アンテナ
２１３、２２３ コイル
２１７、２２７、３１７、３２７、４１７、４２７ 包含部
２２１、３２１、４２１ 受信アンテナ
３１３、３２３、４１３、４２３ 上面コイル
３１４、３２４、４１４、４２４ 底面コイル
３１５、３２５、４１５、４２５ 誘電部

Claims (10)

1. 水中環境下において指向性を有する送信アンテナを有し、前記送信アンテナから電磁界エネルギーを送信する給電装置と、
   水中環境下において指向性を有する受信アンテナを有し、前記給電装置から送信された前記電磁界エネルギーを受信する移動体とを備え、
   前記移動体は、
   前記受信アンテナが受信する前記電磁界エネルギーが大きくなる方向に自身を導き、前記給電装置から無線給電を受ける給電位置に自身を誘導する制御手段を有する給電システム。
2. 前記給電装置は、
   前記電磁界エネルギーを発生させ、発生させた前記電磁界エネルギーを前記送信アンテナに送る電磁界エネルギー発生手段と、
   前記移動体に無線給電する給電手段と、
   前記移動体と通信する第１の通信手段とを有する請求項１に記載の給電システム。
3. 前記移動体は、
   前記受信アンテナが受信した前記電磁界エネルギーを受け取り、前記制御手段に前記電磁界エネルギーに関する情報を送信する受信手段と、
   前記給電手段から無線給電によって電力を受電する受電手段と、
   前記受電手段によって受電された電力を蓄電する蓄電手段と、
   前記給電装置と通信する第２の通信手段とを有する請求項２に記載の給電システム。
4. 前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのうち少なくとも一方が複数のアンテナで構成される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の給電システム。
5. 前記送信アンテナは、
   可変通信レートのデジタル信号を水中に送信し、
   前記受信アンテナは、
   前記送信アンテナによって送信された前記デジタル信号を前記受信アンテナで受信し、
   前記制御手段は、
   受信した前記デジタル信号の通信レートが大きくなる方向に前記移動体を誘導する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の給電システム。
6. 前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのうち少なくとも一方が、
   一巻以上の導線によって構成されたコイルと、
   前記コイルを内含する誘電体である包含部とを含む請求項１乃至５のいずれか一項に記載の給電システム。
7. 前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのうち少なくとも一方が、
   一巻以上の導線によって構成される第１のコイルと、
   一巻以上の導線によって構成され、前記第１のコイルと互いに磁界を強め合うように配置された第２のコイルと、
   前記第１および第２のコイルによって挟まれた誘電体である誘電部と、
   前記第１のコイル、前記第２のコイルおよび前記誘電体を内含し、前記誘電部よりも比誘電率が小さい誘電体である包含部とを含む請求項１乃至５のいずれか一項に記載の給電システム。
8. 前記送信アンテナおよび前記受信アンテナのうち少なくとも一方の前記包含部において、前記第１のコイル側の厚みと比べて前記第２のコイル側の厚みの方が大きい請求項７に記載の給電システム。
9. 水中環境下において指向性を有し、給電装置から送信された電磁界エネルギーを受信する受信アンテナと、
   前記受信アンテナが受信した前記電磁界エネルギーが大きくなる方向に自身を導き、前記給電装置から無線給電を受ける給電位置に誘導する制御手段とを備える移動体。
10. 電磁界エネルギーを発生する電磁界エネルギー発生手段と、
    水中環境下において指向性を有し、前記電磁界エネルギーに導かれる移動体に向けて前記電磁界エネルギーを送信する送信アンテナと、
    前記電磁界エネルギーが大きくなる方向に導かれて無線給電を受ける給電位置に誘導された移動体に給電する給電手段とを備える給電装置。

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