JP2016207872A - 無線給電システムおよび無線給電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】海中での無線給電において、送電用コイルと受電用コイルとの位置関係が変動しても効率よく給電することのできる無線給電システムを提供する。【解決手段】無線給電システム１１は、良導体媒質（海水）中２１に設置された送電器３１と、良導体媒質中２１に設置された受電器４１とを備える。送電器３１は、誘電体を有する包含部で包含された送電用コイル５１１〜５１３を３個以上備える。受電器４１は、誘電体を有する包含部で包含された受電用コイル７１を備える。３個以上の送電用コイル５１１〜５１３は、各々、異なる配向を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、海中での無線による電力供給が可能な無線給電システムに関する。

近年、陸上資源の枯渇が進んでおり、海底のマンガン団塊、金や銀などを含む赤粘土堆積物およびコバルト・リッチ・クラストなど、海底資源の重要性に注目が集まっている。このような海底における資源探索には、その深度が１０００ｍ以上と深いことから、通常、海中で駆動する自律型無人潜水機（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＡＵＶと略す）が用いられる。海中では内燃機関を使用することが難しいため、ＡＵＶはリチウムイオン電池等の二次電池により駆動される。

現在、この二次電池の充電は、ＡＵＶを海上の母船に引き揚げておこなわれている。しなしながら、ＡＵＶを母船に引き揚げるためには、ＡＵＶの重量に耐え得る大型クレーンが必要になりコスト高となる。コスト抑制の観点から、海中での無線給電が望まれている。海中でＡＵＶなどの移動機器に無線給電する場合の課題は、高い導電率を有する海水への対応である。海水は、４Ｓ／ｍと高い導電率を有することから、海水中を電磁波が透過する際には電磁エネルギーを損失してしまう。その結果、海水中で高効率で長距離な無線給電を行うことは難しい。

非特許文献１には、海水中でも高効率で長距離な無線給電を可能とするために、凸状の支持材の周囲に送電用コイルを形成し、凹状の支持材の内部に受電用のコイルを形成し、送電用コイルと受電用コイルを篏合させて電力伝送する無線給電技術が開示されている。非特許文献１によれば、海水中に漏れ出す磁束を低減することが可能となり、高い導電率を有する海水中であっても、高効率で長距離な無線給電を行うことが可能となる。

特許文献１には、海水中でも高効率で長距離な無線給電を可能とするために、送電用コイルを誘電体で包含し、送電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無線給電技術が開示されている。特許文献１によれば、図１９に示すように、海水中の送電器と受電器との間に、鉛直なポインティングベクトルを形成することができる。これにより、高い導電率を有する海水中であっても、高効率で長距離な無線給電を行うことが可能となる。

ポインティングベクトルとは、磁界ベクトル（Ｈ）と電界ベクトル（Ｅ）の外積の時間平均を指し、以下の式１で表される。この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の伝達（以降、エネルギーフローという）そのものである。

なお、特許文献１および非特許文献１の技術は、図１９に示すように、いずれも、送電用コイルと受電用コイルとが正対している状態を想定しており、送電用コイルから受電用コイルに対して鉛直方向（Ｚ軸方向）に電力伝送が行われる。

国際公開第２０１４／０３４４９１号 特開２０１１−１９９９７５号公報 特開２０１２−６５４１９号公報 特表２００７−５２１６４２号公報

Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｋｏｊｉａ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｆｅｅｄｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ"，Ｏｃｅａｎｓ ２００５-Ｅｕｒｏｐｅ，Ｖｏｌ．１，７０９−７１２，Ｊｕｎｅ ２００５． 石田哲也ら"受電体の設置角度に依存しないシームレスな非接触給電"、信学技報 ＷＰＴ２０１２−０４（２０１２−０５）． 小原寛貴ら"位相差給電による磁界共振結合型選択的無線電力伝送システムにおける共振器位置依存性の検討"、信学技報 ＷＰＴ２０１３−２８（２０１４−０１）． 居村岳広，堀洋一，"磁界共振結合を用いたワイヤレス電力伝送における複数給電の等価回路化"，平成２３年電気学会産業応用部門大会，２−９，ｐｐ．２−３９９〜２−４０２，２０１１．９．６．

しかしながら、特許文献１および非特許文献１の技術は、以下の課題を有している。すなわち、海中で無線給電システムを運用する場合、送電用コイルと受電用コイルとが正対しない場合が生じるという課題である。

例えば、図２０に示すように、ＡＵＶに送電器を搭載し、海底に設置されたセンサの受電器に無線給電を行う場合を想定する。送電器は、実装効率や障害物との衝突を避けるために、ＡＵＶの前方に搭載されている。一方、受電器は、センサの近傍に設置されているが、通常、設置面は平坦ではなく傾いている。このような状況においては、送電器の送電用コイルと受電器の受電用コイルとが正対しない場合が生じる。また、海中では、潮流や浮力などの影響でＡＵＶの位置を固定することが難しいため、送電用コイルと受電用コイルの相対位置が変動し、両者が正対しない場合が生じる。

送電用コイルと受電用コイルとが正対しない場合、非特許文献１の技術では、送電用コイルと受電用コイルを篏合させることができない。また、特許文献１の技術では、送電用コイルが生じるポインティングベクトルの方向が受電用コイルの方向を向かない。よって、これらの技術では、高効率で長距離な無線給電を行うことが困難な場合が生じる。

非特許文献２には、直交して配置された２個の送電用コイルを位相差９０°で励起し、２個のコイルから発生するエネルギーフローを干渉させた円偏波を作ることによって、受電用コイルが傾いている場合でも給電可能とする技術が開示されている。また、非特許文献３には、同一平面上に配置された２個の送電用コイルを位相差９０°で励起し、エネルギーフローを重ね合わせることで、２個受電用コイルの内の一方に選択的に給電する技術が開示されている。

しかしながら、非特許文献２、３の技術は、海中での揺れや浮力に起因する３次元的な位置の変動に対処することはできない。図２１に示すように、２個の送電用コイルからのエネルギーフローが干渉する領域において、Ｘ-Ｚ平面内での送電方向の制御が可能である。このとき、空中であれば、送電用コイルから放射されるエネルギーフローは送電用コイルの周囲に広く分布するため、受電用コイルがＹ軸方向にずれたとしても給電は可能である。一方、海中では、図１９に示すように、エネルギーフロー（ポインティングベクトル）は送電用コイルの鉛直方向にしか発生しないため、受電コイルがＹ軸方向にずれた場合、エネルギーフローの干渉する領域から外れ、給電は困難になる。

複数のコイルを組み合わせて送電方向を制御するための関連技術が、特許文献２、特許文献３、特許文献４に開示されている。これらの内、特許文献２、特許文献３の技術は、複数の送電用コイルを平面上に配置する構成であるため、受電用コイルが前記平面に垂直な方向へずれた場合や、受電用コイルが前記平面から傾いた場合、海中での給電は困難になる。また、特許文献４は、複数のコイルを異なる配向で配置した構成を開示しているが、海中での動作が考慮されていない構成となっている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、海中での無線給電において、送電用コイルと受電用コイルとの位置関係が変動しても効率よく給電することのできる無線給電システムを提供することにある。

本発明による無線給電システムは、良導体媒質中に設置された送電器と、前記良導体媒質中に設置された受電器とを備え、前記送電器は、誘電体を有する包含部で包含された送電用コイルを３個以上備え、前記受電器は、誘電体を有する包含部で包含された受電用コイルを備え、３個以上の前記送電用コイルは、各々、異なる配向を有する。

本発明による無線給電方法は、良導体媒質中で、誘電体で包含されている送電用コイルが受電用コイルに給電する無線給電方法において、配向の異なる３個以上の前記送電用コイルにより電力信号を送電し、前記受電用コイルで前記電力信号を受電する。

本発明によれば、海中での無線給電において、送電用コイルと受電用コイルとの位置関係が変動しても効率よく給電することのできる無線給電システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態の無線給電システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の無線給電システムの送電用コイルの例を示す図である。 本発明の第１の実施形態の無線給電システムの受電用コイルの例を示す図である。 本発明の第１の実施形態の無線給電システムの動作を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態の無線給電システムの動作を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態の無線給電システムの構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の無線給電システムの動作を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態の無線給電システムの構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態の無線給電システムの送電用コイルと受電用コイルとの位置関係の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の無線給電システムの送電用コイルと受電用コイルとのコイル間の結合係数の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の無線給電システムの電力伝送効率の計算結果を示す図である。 本発明の第３の実施形態の無線給電システムの電力伝送効率の計算結果を示す図である。 結合係数により結合する２個のコイルをインダクタンスを用いた回路で表現した図である。 本発明の第３の実施形態の無線給電システムを実海洋において効果を検証するための評価系の構成図である。 本発明の無線給電システムを用いた実施例１の構成を示す図である。 本発明の無線給電システムを用いた実施例２の構成を示す図である。 本発明の無線給電システムを用いた実施例３の構成を示す図である。 本発明の無線給電システムを用いた実施例４の構成を示す図である。 本発明の無線給電システムを用いた実施例４の構成を示す図である。 海水中の送電用コイルと受電用コイルとポインティングベクトルとの関係を説明するための図である。 ＡＵＶに送電器を搭載し海底に設置されたセンサの受電器に無線給電を行う場合を説明するための図である。 ２個の送電用コイルからのエネルギーフローが干渉する領域に受電用コイルを配置する様子を示す図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、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）
図１は、本発明の第１の実施形態の無線給電システムの構成を示す図である。本実施形態の無線給電システム１１は、良導体媒質中に設置された送電器３１と、前記良導体媒質中に設置された受電器４１とを備え、前記送電器３１は、誘電体を有する包含部で包含された送電用コイルを３個以上備え、前記受電器４１は、誘電体を有する包含部で包含された受電用コイル７１を備え、３個以上の前記送電用コイルは、各々、異なる配向を有する。

本実施形態の無線給電方法は、良導体媒質中で、誘電体で包含されている送電用コイルが受電用コイルに給電する無線給電方法において、配向の異なる３個以上の前記送電用コイルにより電力信号を送電し、前記受電用コイルで前記電力信号を受電する。

図１を用いて、さらに詳細に本実施形態の無線給電システム１１の構成を説明する。無線給電システム１１は、海水２１（良導体媒質）中に設置された送電器３１と受電器４１とを備えている。送電器３１は、電力信号を無線で送信する３個の送電用コイル５１１、５１２、５１３を備えている。送電用コイル５１１、５１２、５１３は誘電体で包含されている。送電用コイル５１１、５１２、５１３は、Ｄを頂点とする三角錐の側面（ＡＢＤ、ＢＣＤ、ＣＡＤ）に１個ずつ設けられることによって、各々、異なる配向を有するように配置されている。ここで云う配向とは、送電用コイル５１１、５１２から放射されるエネルギーフローの方向に対応する。三角錐は、正三角錐とすることもできる。受電器４１は、３個の送電用コイル５１１、５１２、５１３から送信された電力信号を受信する受電用コイル７１を備えている。受電用コイル７１は誘電体で包含されている。

図２は、送電用コイル５１１、５１２、５１３の例を示す平面および断面図である。送電用コイル５１１、５１２、５１３は、各々、誘電体を有する包含部６１ａで包含されている。包含部６１ａは、海水２１中への電界の拡がりを抑え、これにより、海水２１中に拡散して消滅する電磁エネルギーを低減する効果がある。よって、誘電体の包含部６１ａで包含することによって、包含部６１ａのない場合に比較して、海中で高い電力伝送効率を得ることができる。なお、図２では、四角形の送電用コイルの例を示しているが、円形や三角形などの任意の形状とすることができる。

図３は、受電用コイル７１の例を示す平面および断面図である。受電用コイル７１は、送電用コイルのように、誘電体を有する包含部６１ｂで包含されている。誘電体の包含部６１ｂで包含することによって、包含部のない場合に比較して、海中で高い電力伝送効率を得ることができる。なお、図３では、四角形の受電用コイル７１の例を示しているが、円形や三角形などの任意の形状とすることができる。

送電用コイル５１１、５１２、５１３と受電用コイル７１は、銅線等の材料を用いたスパイラルコイル等で実現することができる。包含部６１ａ、６１ｂは、エポキシ樹脂、ガラス、テフロン（登録商標）、アクリル、プラスチック、セラミック、マイカ、油、水、プリント配線板用のＦＲ４材料等の、誘電体で構成することができる。また、これらの誘電体の一部にフィラーや金属薄板等の導電性の材料を混在させても良いし、これらの誘電体を複数組み合わせても良い。例えば、固体の誘電体を外枠とし、その内部を液体の誘電体で満たした構造とすることもできる。

次に、無線給電システム１１の動作を説明する。送電用コイル５１１、５１２、５１３の内の１個以上から放射された磁界ベクトルは、包含部６１ａを通って海水２１に入射する。このとき、送電用コイル５１１、５１２、５１３から放射された磁界ベクトルによるエネルギーフローは、包含部６１ａの表面を送電用コイルのループ面に対して平行とすることで、各送電用コイルのループ面に対して垂直方向となる。エネルギーフローは受電用コイル７１に受電され、給電が完了する。

図４は、無線給電システム１１の動作を説明するための図であり、送電用コイル５１１、５１２、５１３をそれぞれ励起した時のエネルギーフローを示す概念図である。各送電用コイルからは、各コイルのループ面が形成された三角錐の各側面に対して垂直方向に、エネルギーフローが放射する。

図５は、無線給電システム１１の動作を説明するための図であり、送電用コイル５１１、５１２、５１３をそれぞれ励起した時のエネルギーフローを、Ｚ軸正方向から見た概念図である。説明を簡単にするために、三角錐を正三角錐とし、辺ＢＣをＸ軸に平行とする。

送電用コイル５１１を励起した場合（左図）、エネルギーフローはＸ軸の負方向とＹ軸の正方向との成分を有する。送電用コイル５１２を励起した場合（中央図）、エネルギーフローはＹ軸の負方向の成分を有する。送電用コイル５１３を励起した場合（右図）、エネルギーフローはＸ軸の正方向とＹ軸の正方向との成分を有する。さらに、各エネルギーフローは、図４に示すように、Ｚ軸の正方向の成分も有する。よって、送電器３１は、三角錐の各側面に設けられている送電用コイル５１１、５１２、５１３によって、Ｚ軸が正の領域において、Ｘ軸の正負方向およびＹ軸の正負方向に成分を有するエネルギーフローを形成することができる。

すなわち、受電用コイル７１が、たとえば、正三角錐の底面（ＡＢＣ）の中心のＺ軸上に位置し、Ｚ軸から傾いていなければ、送電用コイル５１１、５１２、５１３から同じ大きさのエネルギーフローを送って給電すればよい。受電用コイル７１が、Ｚ軸から傾いた場合、送電用コイル５１１、５１２、５１３の各々で励起するエネルギーフローの大きさを調整することで、重ね合わせたエネルギーフローの方向が、受電用コイル７１のループ面に垂直となるようにして給電すればよい。受電用コイル７１が、Ｘ軸方向やＹ軸方向にずれた場合、送電用コイル５１１、５１２、５１３の各々で励起するエネルギーフローの大きさを調整することで、重ね合わせたエネルギーフローの方向が、受電用コイル７１のループ面に垂直となるようにして給電すればよい。

図５において、例えば、受電用コイル７１がＹ軸の正方向にずれた場合、送電用コイル５１１または送電用コイル５１３、または、その両方のエネルギーフローを強めて給電すればよい。受電用コイル７１がＹ軸の負方向にずれた場合、送電用コイル５１２のエネルギーフローを強めて給電すればよい。受電用コイル７１がＸ軸の正方向にずれた場合、送電用コイル５１３のエネルギーフローを強めて給電すればよい。受電用コイル７１がＸ軸の負方向にずれた場合、送電用コイル５１１のエネルギーフローを強めて給電すればよい。

以上のように、送電用コイルに対する受電用コイル７１の位置や傾きによって、送電用コイル５１１、５１２、５１３の各々で励起する電力信号の大きさを制御することによって、送電用コイルから受電用コイルへの電力伝送効率を改善することができる。送電用コイルに対する受電用コイルの位置や傾きは、例えば、送電用コイル側に受電用コイルを検知する赤外線センサなどを設けておくことで、特定することができる。また、受電用コイルで受電している電磁波の強さを送電用コイルにフィードバックし、受電している電磁波の強さが最大となるように連続的に各送電用コイルの励起を制御することも可能である。

無線給電システム１１によれば、三角錐の各側面に設けられている送電用コイル５１１、５１２、５１３によって、Ｚ軸が正の領域において、Ｘ軸の正負方向およびＹ軸の正負方向にエネルギーフローを形成することができる。すなわち、送電用コイルの数としては必要最小限であるので、送電器３１の小型化に際しても有利である。

以上のように、本実施形態によれば、海中での無線給電において、送電用コイルと受電用コイルとの位置関係が変動しても効率よく給電することのできる無線給電システムを提供することができる。
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態の無線給電システムの構成を示す図である。無線給電システム１２は、海水２２中に設置された送電器３２と受電器４２とを備えている。送電器３２は、電力信号を無線で送信する４個の送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４を備えている。送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４は誘電体で包含されている。送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４は、Ｅを頂点とする四角錐の側面（ＡＢＥ、ＢＣＥ、ＣＤＥ、ＤＡＥ）に１個ずつ設けられることによって、各々、異なる配向を有するように配置されている。四角錐は、正四角錐とすることもできる。受電器４２は、４個の送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４から送信された電力信号を受信する受電用コイル７２を備えている。受電用コイル７２は誘電体で包含されている。

無線給電システム１２のその他の構成や材料は、第１の実施形態の無線給電システム１１と同様である。

次に、無線給電システム１２の動作を説明する。送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４の内の１個以上から放射された磁界ベクトルは、誘電体の包含部を通って海水２２に入射する。このとき、送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４から放射された磁界ベクトルによるエネルギーフローは、包含部の表面を送電用コイルのループ面に対して平行とすることで、各送電用コイルのループ面に対して垂直方向となる。エネルギーフローは受電用コイル７２に受電され、給電が完了する。

図７は、無線給電システム１２の動作を説明するための図であり、送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４をそれぞれ励起した時のエネルギーフローを示す概念図である。説明を簡単にするために、四角錐を正四角錐とし、辺ＡＢと辺ＣＤをＸ軸に平行、辺ＢＣと辺ＤＡをＹ軸に平行とする。各送電用コイルからは、各コイルのループ面の形成された四角錐の各側面に対して垂直方向に、エネルギーフローが放射する。

送電用コイル５２１を励起した場合、エネルギーフローはＹ軸の正方向の成分を有する。送電用コイル５２２を励起した場合、エネルギーフローはＸ軸の負方向の成分を有する。送電用コイル５２３を励起した場合、エネルギーフローはＹ軸の負方向の成分を有する。送電用コイル５２４を励起した場合、エネルギーフローはＸ軸の正方向の成分を有する。さらに、各エネルギーフローは、Ｚ軸の正方向の成分も有する。よって、送電器３２は、四角錐の各側面に設けられている送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４によって、Ｚ軸が正の領域において、Ｘ軸の正負方向およびＹ軸の正負方向に成分を有するエネルギーフローを形成することができる。

すなわち、受電用コイル７２が、たとえば、正四角錐の底面（ＡＢＣＤ）の中心のＺ軸上に位置し、Ｚ軸から傾いていなければ、送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４から同じ大きさのエネルギーフローを送って給電すればよい。受電用コイル７２が、Ｚ軸から傾いた場合、送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４の各々で励起するエネルギーフローの大きさを調整することで、重ね合わせたエネルギーフローの方向が、受電用コイル７２のループ面に垂直となるようにして給電すればよい。受電用コイル７２が、Ｘ軸方向やＹ軸方向にずれた場合、送電用コイル５２１、５２２、５２３、５２４の各々で励起するエネルギーフローの大きさを調整することで、重ね合わせたエネルギーフローの方向が、受電用コイル７２のループ面に垂直となるようにして給電すればよい。

以上のように、本実施形態によれば、海中での無線給電において、送電用コイルと受電用コイルとの位置関係が変動しても効率よく給電することのできる無線給電システムを提供することができる。
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態の無線給電システムの構成を示す図である。本実施形態の無線給電システム１３は、海水２３中に設置された送電器３３と受電器４３とを備えている。送電器３３は、電力信号を無線で送信する３個の送電用コイル５３１、５３２、５３３を備えている。送電用コイル５３１、５３２、５３３は誘電体で包含されている。送電用コイル５３１、５３２、５３３は、Ｄを頂点とする三角錐の側面（ＡＢＤ、ＢＣＤ、ＣＡＤ）に１個ずつ設けられることによって、各々、異なる配向を有するように配置されている。三角錐は、正三角錐とすることもできる。受電器４３は、３個の送電用コイル５３１、５３２、５３３から送信された電力信号を受信する受電用コイル７３を備えている。受電用コイル７３は誘電体で包含されている。

送電用コイル５３１、５３２、５３３には、各々、送電用コイル５３１、５３２、５３３に入力される電力信号である高周波信号の強度や位相等を制御する機能を有する調整器８３１、８３２、８３３が設けられている。調整器８３１、８３２、８３３は、例えば、可変信号源と増幅器を用いて構成することができる。また、前記構成以外にも、スイッチ、オペアンプ、移相器、減衰器、発信源、可変インダクタ、可変キャパシタ等の素子や、それらの組み合わせにより実現できる。

無線給電システム１３のその他の構成や材料は、第１の実施形態の無線給電システム１１と同様である。

図９は、無線給電システム１３の送電用コイルと受電用コイルとの位置関係の例を示す図である。図９の例に示すように、海中で揺れが発生する前と後では、送電用コイルと受電用コイル７３との位置関係が変動する。すなわち、受電用コイル７３は、揺れが発生する前では、送電用コイル５３１、５３２、５３３から等距離の位置に存在し、揺れが発生した後では、送電用コイル５３３の近傍に存在する。

図９に示す、送電用コイル５３１、送電用コイル５３２、送電用コイル５３３、受電用コイル７３の各々の間の電力伝送効率を、各コイルの等価回路モデル、および、各コイル間の結合係数を用いて計算する（例えば、非特許文献４参照）。ここで、結合係数とは、送電用コイルから放射された磁束を受電用コイルが受信する割合を示す係数であり、０から１までの値を取る。結合係数が１とは、送電用コイルが放射した磁束の全量が、受電用コイルを通過している状態を指す。また、結合係数が０とは、送電用コイルは放射した磁束が受電用コイルを全く通過しない状態、すなわち、送電用コイルと受電用コイルとが互いに何ら作用しない状態を指す。

図１０は、無線給電システム１３の送電用コイルと受電用コイルとのコイル間の結合係数の例を示す図である。図１０は、揺れが発生した後の値を示すとする。例えば、送電用コイル５３１は、送電用コイル５３２と結合係数ｋ１２で結合し、送電用コイル５３３と結合係数ｋ１３で結合し、受電用コイルとｋ１４で結合している、などである。なお、以下の電力伝送効率の計算では、送電用コイル５３１、５３２、５３３、受電用コイル７３は同一の構成としている。

図１１は、無線給電システム１３の電力伝送効率の計算結果を示す図である。電力伝送効率は、送電用コイルの励起強度（送電強度）に対する受電用コイルの受電強度の比率としている。図１１では、送電用コイル５３１、５３２、５３３を、同じ強度、同じ位相、周波数２００〜３００ＫＨｚの間で励起している。図１１に示すように、２１３．４ＫＨｚで最大値−９．１２ｄＢが得られている。

図１２は、無線給電システム１３の電力伝送効率の計算結果を示す図である。図１２では、送電用コイル５３１、５３２、５３３を、同じ強度、異なる位相、周波数２００〜３００ＫＨｚの間で励起している。異なる位相とは、送電用コイル５３１と送電用コイル５３２とを同相、送電用コイル５３３を送電用コイル５３１に対して−９０°の位相としている。図１２に示すように、２１７．６ＫＨｚで最大値−６．６９２ｄＢの受電特性が得られており、図１１よりも約２．５ｄＢ改善している。

以上のように、図９に示したように、揺れなどにより各電力伝送用コイルと受電用コイルとの距離が均等でなくなった場合、すなわち、受電用コイルが特定の送電用コイルの近傍に位置した場合、各送電用コイルの励起位相を調整することで、電力伝送効率が改善する。

発明者らは、送電用コイルの励起位相を調整することで電力伝送効率が改善する効果が、ラットレース回路理論により説明できることを見出している。すなわち、図１０のように、各送電用コイルから受電用コイルへ給電する経路が異なり、さらに、送電用コイル５３１、５３２と受電用コイル７３とを結合する結合係数ｋ１４、ｋ２４と、送電用コイル５３３と受電用コイル７３とを結合する結合係数ｋ３４とが異なると、このような現象が発生する。

図１０のように、送電用コイル５３１から受電用コイル７３へ給電する経路は複数存在する。具体的には、送電用コイル５３１から受電用コイル７３に直接給電する経路、送電用コイル５３１から送電用コイル５３３を中継して受電用コイル７３に給電する経路、送電用コイル５３１から送電用コイル５３３を中継し、さらに送電用コイル５３２を中継して受電用コイル７３に給電する経路、などである。このような複数の経路がある場合、コイル間の結合係数の対称性が崩れた場合、各送電用コイルから受電用コイルに給電される電力信号に位相差が生じる。

結合係数により結合する２個のコイルは、インダクタンスを用いた回路で表現できる。図１３に示すように、結合係数ｋで結合するコイル１（インダクタＬ１）、コイル２（インダクタＬ２）は、Ｔ型の回路で表現できる。ここで、図１３から明らかなように、結合係数ｋが異なれば、Ｔ型回路を構成するインダクタンスは異なる。

複数の給電経路が存在し、かつ、インダクタンスに違いがある場合、送電用コイル５３１、５３２から受電用コイル７３へ伝送される高周波信号の位相と、送電用コイル５３３から受電用コイル７３へ伝送される高周波信号の位相が異なる。図１０の場合、送電用コイル５３３から受電用コイル７３へ伝送される高周波信号は、送電用コイル５３１、５３２から伝送される高周波信号に対して、位相が約９０°進む。よって、送電用コイル５３３に入力する高周波信号の位相を予め９０°遅らせることで、電力伝送効率を改善することができる。

以上のように、各送電用コイルに入力する高周波信号の位相を制御することで、海中で揺れが発生した場合であっても、受電器の空間的位置に合わせて電力伝送効率を改善することができる。

図１４は、本実施形態の無線給電システム１３を、実海洋において効果を検証するための評価系の構成図である。評価系は、伝送用コイルａ、ｂ、ｃ、調整器ａ、ｂ、ｃ、受電用コイルを備えた受電器ａを備えている。評価に際しては、受電器ａを辺ＡＤすなわちＹ軸に沿って移動させ、調整器の位相調整による受電器ａの受電効率（電力伝送効率）の改善を確認している。

図１４中の表は、受電器ａの移動距離と最適位相量の関係を示す。表において、移動距離０とは、ＡＢＣ面の重心上（Ｚ軸方向）に受電器ａが設置されている状態を指す。また、最適位相量とは、受電器ａの受電効率が最も高くなる場合の、送電用コイルｂの励起位相と送電用コイルａの励起位相の差である。表のように、移動距離が０ｃｍと１５ｃｍでは、最適位相量は０°であるのに対し、３０ｃｍでは、最適位相量が１８０°という結果が得られた。すなわち、受電器ａの位置がずれた場合、位相を調整することによって、受電効率を改善させられることが確認された。

以上のように、本実施形態によれば、海中での無線給電において、送電用コイルと受電用コイルとの位置関係が変動しても効率よく給電することのできる無線給電システムを提供することができる。

以上の第１〜第３の実施形態の無線給電システム１１〜１３を用いた実施例１〜３を、以下に説明する。
（実施例１）
図１５は、本発明の実施形態の無線給電システムを用いた実施例１の海中システム１００の構成を示す図である。海中システム１００は、海水２５内で駆動する移動体１０５が送電用コイルを有する送電器３５を備え、海底１２５で駆動するセンサ１１５が受電用コイルを有する受電器４５を備えている。送電器３５と受電器４５とは、本実施形態の無線給電システムを構成している。

移動体１０５は、ＡＵＶ等である。センサ１１５は、海底環境センサ、地震センサ、物体検知センサ等である。センサ１１５は、バッテリーやキャパシタ等の電力保持手段を備えていても良い。

海中システム１００の移動体１０５とセンサ１１５の動作について説明する。まず、移動体１０５がセンサ１１５に接近し、送電器３５と受電器４５とが効率よく無線給電するよう、送電器３５と受電器４５との位置関係に基づいて、送電用コイルに入力する電力信号の調整がされる。次に、送電器３５を通じて受電器４５に電力が無線給電される。受電器４５を通じて受電された電力は、センサ１１５へ伝達される。センサ１１５は、伝達された電力により直接駆動、または、伝達された電力により充電された電力保持手段により駆動する。

本実施例によれば、海中で動作する移動体から、海底などで動作するセンサなどへの電力の無線給電が可能となり、信頼性の高い海中電力供給網を提供することが可能となる。
（実施例２）
図１６は、本発明の実施形態の無線給電システムを用いた実施例２の海中システム２００の構成を示す図である。海中システム２００では、海水２６内で駆動する移動体１０６１が送電用コイルを有する送電器３６を備え、海水２６内で駆動する移動体１０６２が受電用コイルを有する受電器４６を備えている。移動体１０６２は、バッテリーやキャパシタ等の電力保持手段を有していても良い。

海中システム２００の、移動体１０６１と移動体１０６２の動作について説明する。まず、移動体１０６１が移動体１０６２に接近し、送電器３６と受電器４６とが効率よく無線給電するよう、送電器３６と受電器４６との位置関係に基づいて、送電用コイルに入力する電力信号の調整がされる。次に、送電器３６を通じて受電器４６に電力が無線給電される。受電器４６を通じて受電された電力は、移動体１０６２へ伝達される。移動体１０６２は、伝達された電力により直接駆動、または、伝達された電力により充電された電力保持手段により駆動する。

本実施例によれば、海中で動作する移動体から移動体への電力の無線給電が可能である。また、さらにその先の海底センサなどへと電力を受け渡してゆくことも可能となり、信頼性の高い海中電力供給網を提供することが可能となる。
（実施例３）
図１７は、本発明の実施形態の無線給電システムを用いた実施例３の情報収集システム３００の構成を示す図である。情報収集システム３００は、母船１２１と、海水２７中の移動体１０７およびセンサ１１７を有する。さらに、移動体１０７に関する情報やセンサ１１７により収集される情報を統合的に管理する管理センター３０１を有する。管理センター３０１は、母船１２１に備えられていても良く、また、陸上に備えられていても良い。

母船１２１は送電器３７１を備え、移動体１０７は送電器３７２と受電器４７１とを備え、センサ１１７は受電器４７２を備えている。センサ１１７は、例えば、水温計、震度計、石油漏れ検知センサ、侵入検知センサ等である。なお、移動体１０７とセンサ１１７とは、それぞれ複数とすることができる。

情報収集システム３００の動作について説明する。まず、母船１２１と移動体１０７とセンサ１１７とは、海中音響通信等により、移動体１０７のバッテリー残量、センサ１１７のバッテリー残量の情報を共有する。次に、移動体１０７とセンサ１１７は、それぞれのバッテリー量が少なくなっていると判定した場合、それぞれの有する受電器４７１または受電器４７２を通じて電力を受電する。この時、移動体１０７の受電器４７１が受電する場合、移動体１０７の受電器４７１が母船１２１の有する送電器３７１に接近して受電する。また、センサ１１７の受電器４７２が受電する場合、移動体１０７の送電器３７２がセンサ１１７の受電器４７２に接近して受電する。移動体１０７とセンサ１１７は、各々が収集した情報を、海中音響通信等を通じて管理センター３０１に送信する。管理センター３０１は、移動体１０７とセンサ１１７から送信された情報を受信し、統合的に管理する。

本実施例によれば、母船から海中を調査するための移動体、さらには、移動体から海中を調査するためのセンサに、安定して無線給電する情報収集システムが可能となる。
（実施例４）
図１８Ａと図１８Ｂとは、本発明の実施形態の無線給電システムを用いた実施例４の構成を示す図である。本実施例の給電システムでは、移動体１０８１（自動車）や移動体１０８２（ヘリコプター）が、送電用コイルを有する送電器を備えている。さらに、マンホールの底部の配管などに設置されたセンサ１３８１や、橋脚に設置されたセンサ１３８２が、受電用コイルを有する受電器を備えている。各々の送電器と受電器とは、前記の本実施形態の無線給電システムを構成している。

センサ１３８１、１３８２は、環境センサ、地震センサ、物体検知センサ、異常検出センサ等である。センサ１３８１、１３８２は、バッテリーやキャパシタ等の電力保持手段を備えていても良い。センサ１３８１、１３８２は、マンホールの蓋や筐体などの金属や土などの導電性媒質を介して移動体１０８１、１０８２に対峙している。

図１８Ａと図１８Ｂの給電システムの動作について説明する。まず、移動体１０８１、１０８２がセンサ１３８１、１３８２に接近する。すなわち、自動車は走行によって、ヘリコプターはホバリングによって、接近する。次に、各々の送電器と受電器とが効率よく無線給電するよう、送電器と受電器との位置関係に基づいて、送電用コイルに入力する電力信号の調整がされる。次に、送電器を通じて受電器に電力が無線給電される。受電器を通じて受電された電力は、センサ１３８１、１３８２へ伝達される。センサ１３８１、１３８２は、伝達された電力により直接駆動、または、伝達された電力により充電された電力保持手段により駆動する。

本実施例によれば、陸上や空中の移動体から、金属や土などの導電性媒質を介して動作するセンサなどへの電力の無線給電が可能となり、信頼性の高い電力供給網を提供することが可能となる。

本発明は上記実施形態や実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。

また、上記の実施形態や実施例の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

付記
（付記１）
良導体媒質中に設置された送電器と、前記良導体媒質中に設置された受電器とを備え、前記送電器は、誘電体を有する包含部で包含された送電用コイルを３個以上備え、前記受電器は、誘電体を有する包含部で包含された受電用コイルを備え、３個以上の前記送電用コイルは、各々、異なる配向を有する、無線給電システム。
（付記２）
前記送電用コイルは、三角錐の側面に１個ずつ設けられている３個を有する、付記１記載の無線給電システム。
（付記３）
前記送電用コイルは、四角錐の側面に１個ずつ設けられている４個を有する、付記１記載の無線給電システム。
（付記４）
前記送電用コイルに対する前記受電用コイルの位置または傾きに基づいて、前記送電用コイルに入力する電力信号の強度もしくは位相を制御する調整器を備えている、付記１から３の内の１項記載の無線給電システム。
（付記５）
前記受電用コイルの受電信号の大きさに基づいて、前記送電用コイルに入力する電力信号の強度もしくは位相を制御する調整器を備えている、付記１から３の内の１項記載の無線給電システム。
（付記６）
前記良導体媒質は海水である、付記１から５の内の１項記載の無線給電システム。
（付記７）
良導体媒質中で、誘電体で包含されている送電用コイルが受電用コイルに給電する無線給電方法において、配向の異なる３個以上の前記送電用コイルにより電力信号を送電し、前記受電用コイルで前記電力信号を受電する、無線給電方法。
（付記８）
前記送電用コイルは、三角錐の側面に１個ずつ設けられている３個を有する、付記７記載の無線給電方法。
（付記９）
前記送電用コイルは、四角錐の側面に１個ずつ設けられている４個を有する、付記７記載の無線給電方法。
（付記１０）
前記受電用コイルは、誘電体で包含されている、付記７から９の内の１項記載の無線給電方法。
（付記１１）
前記送電用コイルに対する前記受電用コイルの位置または傾きに基づいて、前記送電用コイルに入力する電力信号の強度もしくは位相を制御する、付記７から１０の内の１項記載の無線給電方法。
（付記１２）
前記受電用コイルの受電信号の大きさに基づいて、前記送電用コイルに入力する電力信号の強度もしくは位相を制御する、付記７から１０の内の１項記載の無線給電方法。
（付記１３）
前記良導体媒質は海水である、付記７から１２の内の１項記載の無線給電方法。
（付記１４）
海中を移動する第１の移動体と、前記海中に設けられたセンサもしくは前記海中を移動する第２の移動体とを有し、前記第１の移動体は、付記１から６の内の１項記載の無線給電システムの送電器を有し、前記センサもしくは前記第２の移動体は、付記１から６の内の１項記載の無線給電システムの受電器を有し、前記受電器は前記送電器から給電する、海中システム。
（付記１５）
母船と、海中を移動する移動体と、前記海中に設けられたセンサと、前記移動体と前記センサからの情報を収集し管理する管理センターとを有し、前記母船は、付記１から６の内の１項記載の無線給電システムの第１の送電器を有し、前記移動体は、付記１から６の内の１項記載の無線給電システムの第２の送電器と第１の受信機とを有し、前記センサは、付記１から６の内の１項記載の無線給電システムの第２の受電器を有し、前記第１の受電機は前記第１の送電器から給電し、前記第２の受電機は前記第２の送電器から給電する、情報収集システム。
（付記１６）
移動体と、良導体媒質を介して前記移動体と対峙しているセンサとを有し、前記移動体は、付記１から６の内の１項記載の無線給電システムの送電器を有し、前記センサは、付記１から６の内の１項記載の無線給電システムの受電器を有し、前記受電器は前記送電器から給電する、給電システム。

１１、１２、１３ 無線給電システム
２１、２２、２３、２５、２６、２７ 海水
３１、３２、３３、３５、３６、３７１、３７２ 送電器
４１、４２、４３、４５、４６、４７１、４７２ 受電器
５１１、５１２、５１３、５２１、５２２、５２３、５２４、５３１、５３２、５３３ 送電用コイル
６１ａ、６１ｂ 包含部
７１、７２、７３ 受電用コイル
８３１、８３２、８３３ 調整器
１００、２００ 海中システム
１０５、１０６１、１０６２、１０７、１０８１、１０８２ 移動体
１１５、１１７、１３８１、１３８２ センサ
１２１ 母船
１２５ 海底
３００ 情報収集システム
３０１ 管理センター

Claims (10)

1. 良導体媒質中に設置された送電器と、前記良導体媒質中に設置された受電器とを備え、
   前記送電器は、誘電体を有する包含部で包含された送電用コイルを３個以上備え、
   前記受電器は、誘電体を有する包含部で包含された受電用コイルを備え、
   ３個以上の前記送電用コイルは、各々、異なる配向を有する、無線給電システム。
2. 前記送電用コイルは、三角錐の側面に１個ずつ設けられている３個を有する、請求項１記載の無線給電システム。
3. 前記送電用コイルは、四角錐の側面に１個ずつ設けられている４個を有する、請求項１記載の無線給電システム。
4. 前記送電用コイルに対する前記受電用コイルの位置または傾きに基づいて、前記送電用コイルに入力する電力信号の強度もしくは位相を制御する調整器を備えている、請求項１から３の内の１項記載の無線給電システム。
5. 前記受電用コイルの受電信号の大きさに基づいて、前記送電用コイルに入力する電力信号の強度もしくは位相を制御する調整器を備えている、請求項１から３の内の１項記載の無線給電システム。
6. 良導体媒質中で、誘電体で包含されている送電用コイルが受電用コイルに給電する無線給電方法において、
   配向の異なる３個以上の前記送電用コイルにより電力信号を送電し、
   前記受電用コイルで前記電力信号を受電する、無線給電方法。
7. 前記送電用コイルに対する前記受電用コイルの位置または傾きに基づいて、前記送電用コイルに入力する電力信号の強度もしくは位相を制御する、請求項６記載の無線給電方法。
8. 前記受電用コイルの受電信号の大きさに基づいて、前記送電用コイルに入力する電力信号の強度もしくは位相を制御する、請求項６記載の無線給電方法。
9. 海中を移動する第１の移動体と、前記海中に設けられたセンサもしくは前記海中を移動する第２の移動体とを有し、
   前記第１の移動体は、請求項１から６の内の１項記載の無線給電システムの送電器を有し、
   前記センサもしくは前記第２の移動体は、請求項１から６の内の１項記載の無線給電システムの受電器を有し、
   前記受電器は前記送電器から給電する、海中システム。
10. 母船と、海中を移動する移動体と、前記海中に設けられたセンサと、前記移動体と前記センサからの情報を収集し管理する管理センターとを有し、
    前記母船は、請求項１から６の内の１項記載の無線給電システムの第１の送電器を有し、
    前記移動体は、請求項１から６の内の１項記載の無線給電システムの第２の送電器と第１の受信機とを有し、
    前記センサは、請求項１から６の内の１項記載の無線給電システムの第２の受電器を有し、
    前記第１の受電機は前記第１の送電器から給電し、前記第２の受電機は前記第２の送電器から給電する、情報収集システム。