JP2017028832A - 送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給電時の水中航走体の稼働率を向上できる送電装置を提供する。
【解決手段】送電装置は、水中において、受電コイルを有する水中航走体に電力を伝送する。送電装置は、磁界を介して受電コイルに電力を伝送する送電コイルと、周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を送電コイルへ送電する送電部と、送電コイルに接続されると共に、送電コイルと共に上記周波数で共振する共振回路を形成する第１のコンデンサと、を備える。
【選択図】図２

Description

本開示は、水中において無線で送電する送電装置に関する。

従来、送電装置としての水中基地局が、受電装置としての水中航走体との間で、磁気共鳴方式を用いて非接触で電力伝送することが知られている（例えば特許文献１参照）。この送電装置は、送電用共鳴コイルと、風船と、風船制御機構と、を具備する。送電用共鳴コイルは、磁界共鳴方式により受電装置の受電用共鳴コイルに非接触で電力伝送する。風船は、送電用共鳴コイルを内包する。風船制御機構は、風船を電力伝送時に膨張させることにより、送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルとの間の水を排除する。

また、１３．５６ＭＨｚ帯の周波数を用いる電磁誘導方式を利用して、電力とデータをＩＣ搭載媒体に送信するアンテナ装置が知られている（例えば特許文献２参照）。このアンテナ装置は、信号電流が給電される少なくとも１つの給電ループアンテナと信号電流が給電されない少なくとも１つの無給電ループアンテナを有し、給電ループアンテナが発生する磁界を利用して無給電ループアンテナにも信号電流を発生させ、給電ループアンテナの通信範囲を拡大させる点を開示している。

特開２０１５−０１５９０１号公報 特開２００５−１０２１０１号公報

水中の電磁波は、発散、吸収、反射等の現象により減衰することが知られている。特に、電磁波の周波数が高くなるほど電磁波の減衰量は大きくなる。特許文献２に記載のような１３．５６ＭＨｚ帯の電磁波を用いて、水中航走体に対して非接触電力伝送を行う場合は、電磁波の伝搬強度は１メートルあたり数十分の１に減衰してしまうので、非接触電力伝送を効率的に行うことは困難である。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水中における水中航走体への非接触電力伝送を効率的に行うことが可能な送電装置を提供する。

本開示の送電装置は、水中において、受電コイルを有する水中航走体に電力を伝送する。送電装置は、磁界を介して受電コイルに電力を伝送する送電コイルと、周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を送電コイルへ送電する送電部と、送電コイルに接続されると共に、送電コイルと共に上記周波数で共振する共振回路を形成する第１のコンデンサと、を備える。

本開示によれば、水中における水中航走体への非接触電力伝送を効率的に行うことが可能になる。

第１の実施形態における電力伝送システムが置かれる環境の一例を示す模式図 電力伝送システムの構成例を示すブロック図 送電コイルから発生する磁界の伝搬特性を調査するためのシミュレーションモデル 観測ポイント１における磁界強度Ｈｙ減衰量の周波数特性の一例を示す模式図 観測ポイント２における磁界強度Ｈｙ減衰量の周波数特性の一例を示す模式図 磁界強度Ｈｙ（単位：Ａ／ｍ）の距離特性の一例を示す模式図 磁界強度Ｈｙの距離特性（ｄＢ値）の一例を示す模式図 送電コイル周囲の磁界強度分布の一例を示す模式図 第２の実施形態における電力伝送システムが置かれる環境の一例を示す模式図 電力伝送システムの海中における磁界伝搬特性を調査するためのシミュレーションモデル 海中における磁界伝搬特性の一例を示す模式図

以下、適宜図面を参照しながら、実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。尚、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるものであり、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（第１の実施形態）
［構成等］
図１は、第１の実施形態における電力伝送システム１０が置かれる環境の一例を示す模式図である。電力伝送システム１０は、送電装置１００、受電装置２００、及びコイルＣＬを備える（図２参照）。送電装置１００は、受電装置２００に対して、複数のコイルＣＬを介して、磁気共鳴方式に従ってワイヤレス（無接点）で電力伝送する。配置されるコイルＣＬの数は、ｎ個であり、任意である。

コイルＣＬは、例えば、環状に形成され、樹脂のカバーで覆われて絶縁されている。コイルＣＬは、例えば、ヘリカルコイルやスパイラルコイルである。コイルＣＬは、送電コイルＣＬＡ及び受電コイルＣＬＢを含む。送電コイルＣＬＡは、一次コイル（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｃｏｉｌ）であり、受電コイルＣＬＢは、二次コイル（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｃｏｉｌ）である。

また、コイルＣＬは、送電コイルＣＬＡと受電コイルＣＬＢとの間に配置された１つ以上の中継コイルＣＬＣ（Ｂｏｏｓｔｅｒ Ｃｏｉｌ）を含んでもよい。中継コイルＣＬＣ同志は、略平行に配置され、中継コイルＣＬＣにより形成される開口面の半分以上が重なる。複数の中継コイルＣＬＣ間の間隔は、例えば中継コイルＣＬＣの半径以上確保される。

送電コイルＣＬＡは、送電装置１００に設けられる。受電コイルＣＬＢは、受電装置２００に設けられる。中継コイルＣＬＣは、送電装置１００に設けられても、受電装置２００に設けられても、送電装置１００及び受電装置２００とは別に設けられてもよい。中継コイルＣＬＣは、一部が送電装置１００に設けられ、他の一部が受電装置２００に設けられてもよい。

送電装置１００は、船舶５０に設置される。受電装置２００は、水中航走体６０（例えば潜水艇７０や水底掘削機８０）に設置される。各コイルＣＬは、水中（例えば海中）に配置される。

船舶５０の一部は、水面９０（例えば海面）より上部つまり水上に存在し、船舶５０の他の一部は、水面９０よりも下部つまり水中に存在する。船舶５０は、水上で移動可能であり、例えばデータ取得場所の水上へ自由に移動可能である。船舶５０の送電装置１００と送電コイルＣＬＡとの間は、電線２０により接続される。電線２０は、水上のコネクタ（不図示）を介して、例えば送電装置１００内のドライバ１５１（図２参照）と接続される。

水中航走体６０は、水中又は水底９５（例えば海底）に存在し、水中又は水底９５を航走する。例えば、水上の船舶５０からの指示により、データ取得ポイントへ自由に移動可能である。船舶５０からの指示は、各コイルＣＬを介した通信により伝送されてもよいし、その他の通信方法により伝送されてもよい。

各コイルＣＬは、連結体３０と接続され、例えば等間隔に配置される。隣り合うコイルＣＬ間の距離（コイル間隔）は、例えば１００ｍオーダーの距離である。コイル間隔は、例えばコイルＣＬの直径の半分程度の長さである。送電周波数は、１０ｋＨｚ以下とする。送電周波数を１０ｋＨｚとした理由については後で説明する。尚、送電周波数が低周波であるほど、電力伝送距離が長くなり、コイルＣＬを大きくでき、コイル間隔を長くできる。

また、送電周波数に基づいてコイルＣＬのインダクタンスが定まり、コイルＣＬの長さと巻き数とが定まる。コイルＣＬの長さは、例えば数ｍ〜数１００ｍである。また、コイルＣＬの太さが太い程、コイルＣＬでの電気抵抗が減り、電力損失が小さくなる。また、コイルＣＬを介して伝送される電力は、例えば５０Ｗ以上であり、ｋＷオーダーでもよい。

図１では、連結体３０の数が３つであるが、これに限られない。連結体３０における受電コイルＣＬＢ側の端部には、錘４０が接続される。連結体３０における送電コイルＣＬＡ側の端部には、ブイ（Ｂｕｏｙ）４５が接続される。

錘４０により、連結体３０の移動を規制でき、連結体３０に固定された各コイルＣＬの移動を規制できる。よって、水中において水流が発生しても、錘４０により各コイルＣＬの移動が規制されるので、コイルＣＬを用いた電力伝送の効率が低下することを抑制できる。

図２は、電力伝送システム１０の構成例を示すブロック図である。電力伝送システム１０は、送電装置１００及び受電装置２００を備える。

送電装置１００は、電源１１０、ＡＤＣ（ＡＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１２０、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１３０、情報通信部１４０、及び送電回路１５０、を備える。

ＡＤＣ１２０は、電源１１０から供給される交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、送電回路１５０へ送られる。

ＣＰＵ１３０は、送電装置１００の各部（例えば電源１１０、ＡＤＣ１２０、情報通信部１４０、送電回路１５０）の動作を統括する。

情報通信部１４０は、受電装置２００との間で通信される通信データを変調又は復調するための変復調回路１４１を含む。情報通信部１４０は、例えば、送電装置１００から受電装置２００への制御情報を、コイルＣＬを介して送信する。情報通信部１４０は、例えば、受電装置２００から送電装置１００へのデータを、コイルＣＬを介して受信する。このデータは、例えば、受電装置２００により水中探査や水底探査された探査結果のデータが含まれる。情報通信部１４０により、水中航走体６０がデータ収集等の作業しながら、水中航走体６０との間で迅速にデータ通信できる。

送電回路１５０は、ドライバ１５１及び共振回路１５２を含む。ドライバ１５１は、ＡＤＣ１２０からの直流電力を所定の周波数の交流電圧（パルス波形）に変換する。共振回路１５２は、コンデンサＣＡと送電コイルＣＬＡとを含んで構成され、ドライバ１５１からのパルス波形の交流電圧から正弦波波形の交流電圧を生成する。送電コイルＣＬＡは、ドライバ１５１から印加される交流電圧に応じて、所定の共振周波数で共振する。尚、送電コイルＣＬＡは、送電装置１００の出力インピーダンスにインピーダンス整合される。

受電装置２００は、受電回路２１０、ＣＰＵ２２０、充電制御回路２３０、２次電池２４０、及び情報通信部２５０を備える。

受電回路２１０は、整流回路２１１、レギュレータ２１２、及び共振回路２１３を含む。共振回路２１３は、コンデンサＣＢと受電コイルＣＬＢとを含んで構成され、送電コイルＣＬＡから送電された交流電力を受電する。尚、受電コイルＣＬＢは、受電装置２００の入力インピーダンスにインピーダンス整合される。整流回路２１１は、受電コイルＣＬＢに誘起された交流電力を直流電力に変換する。レギュレータ２１２は、整流回路２１１から送られる直流電圧を、２次電池２４０の充電に適合する所定の電圧に変換する。

ＣＰＵ２２０は、受電装置２００の各部（例えば受電回路２１０、受電制御回路２３０、２次電池２４０、情報通信部２５０）の動作を統括する。

充電制御回路２３０は、２次電池２４０の種別に応じて２次電池２４０への充電を制御する。例えば、２次電池２４０がリチウムイオン電池の場合、充電制御回路２３０は、定電圧で、レギュレータ２１２からの直流電力により２次電池２４０への充電を開始する。

２次電池２４０は、送電装置１００から伝送された電力を蓄積する。２次電池２４０は、例えばリチウムイオン電池である。

情報通信部２５０は、送電装置１００との間で通信される通信データを変調又は復調するための変復調回路２５１を含む。情報通信部２５０は、例えば、送電装置１００から受電装置２００への制御情報を、コイルＣＬを介して受信する。情報通信部２５０は、例えば、受電装置２００から送電装置１００へのデータを、コイルＣＬを介して送信する。このデータは、例えば、受電装置２００により水中探査や水底探査された探査結果のデータが含まれる。情報通信部２５０により、水中航走体６０がデータ収集等の作業しながら、船舶５０との間で迅速にデータ通信できる。

尚、中継コイルＣＬＣは、送電コイルＣＬＡ及び受電コイルＣＬＢと同様に、コンデンサＣＣとともに共振回路を構成する。つまり、本実施形態では、共振回路が水中において多段に配置されることで、磁気共鳴方式により電力が伝送される。

次に、送電装置１００から受電装置２００への電力伝送について説明する。

共振回路１５２では、送電装置１００の送電コイルＣＬＡに電流が流れると送電コイルＣＬＡの周囲に磁場が発生する。発生した磁場の振動は、同一の周波数で共振する中継コイルＣＬＣを含む共振回路又は受電コイルＣＬＢを含む共振回路２１３に伝達される。

中継コイルＣＬＣを含む共振回路では、磁場の振動により中継コイルＣＬＣに電流が励起され、電流が流れ、中継コイルＣＬＣの周囲に更に磁場が発生する。発生した磁場の振動は、同一の周波数で共振する他の中継コイルＣＬＣを含む共振回路又は受電コイルＣＬＢを含む共振回路２１３に伝達される。

共振回路２１３では、中継コイルＣＬＣ又は送電コイルＣＬＡの磁場の振動により、受電コイルＣＬＢに交流電流が誘起される。誘起された交流電流が整流され、所定の電圧に変換され、２次電池２４０に充電される。

［伝搬特性のシミュレーション］
図３は、送電コイルＣＬＡから発せられる磁界の伝搬特性を調査するためのシミュレーションモデル３００を示す。シミュレーションモデル３００は、送電コイルＣＬＡのモデルと解析エリア３１０とから構成される。送電コイルＣＬＡは、コイル直径：１０ｍ、コイル線径：０．２ｍ、コイルターン数：１としてモデル化を行っている。シミュレーションによる伝搬特性の測定は、例えば図示しないＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｐｕｔｅｒ）により行われる。

解析エリア３１０は、ｘ方向（横方向）：１５ｍ、ｙ方向（縦方向）：１０ｍ、ｚ方向（奥行き方向）：１５ｍの領域である。シミュレーションでは、解析エリア３１０の材質として真空（Ｖａｃｕｕｍ、単に「Ｖ」とも記す）、水（Ｗａｔｅｒ、単に「Ｗ」とも記記す）、海水（Ｗａｔｅｒ（Ｓｅａ）、単に「Ｗ．Ｓ」とも記す）の３種類を設定し、これら３種類の物質中を伝搬する磁界の強度を調査する。シミュレーションモデル３００では、送電コイルＣＬＡに対して、振幅が１Ａの交流電流を流すものとする。また、交流電流の周波数（解析周波数）としては、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲を設定している。また、シミュレーションモデル３００では、解析エリア３１０の中心点を原点として設定している。送電コイルＣＬＡの中心点と解析エリア３１０の中心点は一致している。

図４は、解析エリア３１０の原点（送電コイルＣＬＡの中心点）における磁界強度Ｈｙの減衰量の周波数特性を示す。図４では、磁界強度Ｈｙの減衰量をデシベル（ｄＢ）単位でプロットしている。以後、原点については観測ポイント１（Ｐｏｉｎｔ１）と称する場合がある。また、原点を（ｘ、ｙ、ｚ）＝（０、０、０）と表現する場合もある。

図４によると、真空では、観測ポイント１における磁界強度Ｈｙは周波数によって変化していないことがわかる。一方、水中および海中では、周波数が大きくなるにしたがって、磁界強度Ｈｙの減衰量が大きくなっていることがわかる。さらに、海中では、水中の場合に比べて、更に減衰量が大きくなっている。

図５は、解析エリア３１０の観測ポイント１（原点）からｙ方向（縦方向）に−５ｍシフトした位置における磁界強度Ｈｙの減衰量の周波数特性を示す。図５では、図４と同様に、磁界強度Ｈｙの減衰量をデシベル（ｄＢ）単位でプロットしている。以後、観測ポイント１（原点）から縦方向に−５ｍシフトした位置を観測ポイント２（Ｐｏｉｎｔ２）と称する場合がある。また、観測ポイント２を（ｘ、ｙ、ｚ）＝（０、−５、０）と表現する場合もある。

図５によると、真空では、観測ポイント２における磁界強度Ｈｙは周波数によって変化していないことがわかる。一方、水中および海中では、観測ポイント１の場合と同様に周波数が大きくなるにしたがって、磁界強度Ｈｙの減衰量が大きくなっていることがわかる。さらに、海中では、水中の場合に比べて、更に減衰量が大きくなっている。観測ポイント２では、送電コイルＣＬＡから距離が離れている分、磁界強度Ｈｙの値が小さくなっているが、観測ポイント１と同様の傾向になる。

図６では、解析エリア３０１で設定した各材質（真空、水、海水）について、解析周波数１ｋＨｚ、３ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、１００ｋＨｚにおける磁界強度Ｈｙ（単位：Ａ／ｍ）の距離特性をプロットしている。距離特性のプロットは、観測ポイント１（ｙ＝０ｍ）からｙ軸に沿った観測ポイント２（ｙ＝−５ｍ）の区間について行っている。また、図７は、図６に示す磁界強度Ｈｙの距離特性をデシベル値（ｄＢ）でプロットしたものである。

図４〜７を参照すると、観測ポイント１では、周波数が１ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約９４％になる。周波数が３ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約７８％になる。周波数が１０ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約４１％になる。周波数が３０ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約１６％になる。周波数が１００ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約２％になる。

また、観測ポイント２では、周波数が１ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約９０％になる。周波数が３ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約７１％になる。周波数が１０ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約２８％になる。周波数が３０ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約６％になる。周波数が１００ｋＨｚの場合、海中の磁界強度Ｈｙは真空の磁界強度Ｈｙの約０．１％になる。

このように、海中では周波数が１０ｋＨｚを超えてしまうと、観測ポイント１〜観測ポイント２の区間（すなわち、送電コイルＣＬＡから５ｍ程度の領域）では、磁界強度Ｈｙが真空の場合に比べて最大約２０％まで減衰されることが理解できる。水中航走体６０は、送電コイルＣＬＡ（または、中継コイルＣＬＣ）から数メートル程度離間して電力供給を受けることになるが、磁界強度Ｈｙが最大２０％程度にまで減衰してしまうと、水中航走体６０に対して効率的に非接触電力伝送を行うことはできない。

海中で水中航走体６０に対して効率的に非接触電力伝送を行うには、送電コイルＣＬＡから数ｍ程度の領域であると、最低でも真空比の３０％程度の磁界強度が必要になる。したがって、海中での非接触電力伝送では、送電コイルＣＬＡに印加する交流電圧の周波数を１０ｋＨｚ以下に設定することが必要になる。

図８は、解析エリア３０１で設定した各材質（真空、水、海水）について、送電コイルＣＬＡの周囲の磁界強度分布を示したものである。図８では４つの解析周波数（１ｋＨｚ、３ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ）に対応する磁界強度分布を示している。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態における電力伝送システム４００が置かれる環境の一例を示す模式図である。図９において、第１の実施形態と共通する部分については同じ符号を用いている。また、説明の簡潔のために、第１の実施形態と共通する部分については、適宜、説明を省略する。

［構成等］
電力伝送システム４００は、送電コイルＣＬＡと水面９０の間に反射コイルＣＬＲを有する点で、第１の実施形態と相違する。反射コイルＣＬＲは、送電コイルＣＬＡから水面９０の方向へ放出される磁界を水底９５の方向へ反射する。これにより、送電コイルＣＬＡから放出された磁界が水面９０から放出されることを抑制できる。よって、送電コイルＣＬＡから放出された磁界と水上や水中での超長波（ＶＬＦ）帯や極超長波（ＵＬＦ）の通信との干渉を抑制することが可能になる。

尚、反射コイルＣＬＲは、送電コイルＣＬＡとの共振を避ける必要があるため、受電コイルＣＬＢや中継コイルＣＬＣの様にコンデンサが接続されておらず、共振回路を形成しない。すなわち、反射コイルＣＬＲはコンデンサの無い閉ループになる。

また、反射コイルＣＬＲは、図９に示すような一つの環とは限らない。例えば、反射コイルＣＬＲの内側に、反射コイルＣＬＲよりもコイル直径の小さな第２の反射コイルを反射コイルＣＬＲと同心円状に配置してもよい。これにより、送電コイルＣＬＡから発生する磁界を水底方向へ反射可能な面積が増えるので、水面９０から磁界が放出されることをより確実に抑えることができる。

［伝搬特性のシミュレーション］
図１０は、電力伝送システム４００の海中における磁界伝搬特性を調査するためのシミュレーションモデル５００、６００を示す。シミュレーションモデル５００は、送電コイルＣＬＡのモデルと解析エリア５１０とから構成される。送電コイルＣＬＡは、コイル直径：１０ｍ、コイル線径：０．２ｍ、コイルターン数：１としてモデル化を行っている。

解析エリア５１０は、ｘ方向（横方向）：１５ｍ、ｙ方向（縦方向）：３０ｍ、ｚ方向（奥行き方向）：１５ｍの直方体領域である。シミュレーションでは、解析エリア５１０の材質として、海水を設定し、海水中を伝搬する磁界の強度を調査する。シミュレーションモデル５００では、送電コイルＣＬＡに対して、振幅：１Ａ、周波数：３ｋＨｚの交流電流を流すものとする。また、シミュレーションモデル５００では、解析エリア５１０の直方体上面（ｚｘ平面）の中心点を原点として設定している。送電コイルＣＬＡの中心点は、原点に対してｙ方向に−１０ｍシフトした位置になる。

シミュレーションモデル６００は、送電コイルＣＬＡ、３つの中継コイル（ＣＬＣ１、ＣＬＣ２、ＣＬＣ３）、２つの反射コイル（ＣＬＲ１、ＣＬＲ２）及び解析エリア６１０から構成される。送電コイルＣＬＡ、中継コイルＣＬＣ１〜ＣＬＣ３、及び反射コイルＣＬＲ１は、形状が同じであり、コイル直径：１０ｍ、コイル線径：０．２ｍ、コイルターン数：１としてモデル化を行っている。反射コイルＣＬＲ２の形状は、コイル直径：５ｍ、コイル線径：０．２ｍ、コイルターン数：１としてモデル化を行っており、反射コイルＣＬＲ２の中心点は、反射コイルＣＬＲ１の中心点と重なって配置される。

シミュレーションモデル６００の目的は、シミュレーションモデル５００との対比によって、中継コイル（ＣＬＣ１〜ＣＬＣ３）及び反射コイル（ＣＬＲ１、ＣＬＲ２）の有無による磁界強度の差を調査することである。

解析エリア６１０は、解析エリア５１０と同様に、ｘ方向（横方向）：１５ｍ、ｙ方向（縦方向）：３０ｍ、ｚ方向（奥行き方向）：１５ｍの直方体領域である。シミュレーションでは、解析エリア６１０の材質として、海水を設定している。シミュレーションモデル６００では、送電コイルＣＬＡに対して、振幅：１Ａ、周波数：３ｋＨｚの交流電流を流すものとする。

また、シミュレーションモデル６００では、解析エリア６１０の直方体上面（ｚｘ平面）の中心点を原点として設定している。送電コイルＣＬＡの中心点は、原点に対してｙ方向に−１０ｍシフトした位置になる。中継コイルＣＬＣ１の中心点は、原点に対してｙ方向に−１５ｍシフトした位置になる。中継コイルＣＬＣ２の中心点は、原点に対してｙ方向に−２０ｍシフトした位置になる。中継コイルＣＬＣ３の中心点は、原点に対してｙ方向に−２５ｍシフトした位置になる。反射コイルＣＬＲ１及びＣＬＲ２の中心点は、原点に対してｙ方向に−５ｍシフトした位置になる。

図１１は、シミュレーションモデル５００および６００の海中における磁界伝搬特性を示している。図１１では、送電コイルＣＬＡの中心点（ｘ＝０ｍ、ｙ＝−１０ｍ、ｚ＝０ｍ）における磁界強度を基準として、ｙ軸上に沿った深さ方向の相対的な磁界強度をプロットしている。

図１１を参照すると、海面からの深さが１０ｍよりも深い領域（ｙ＜−１０）では、シミュレーションモデル６００の磁界強度は、シミュレーションモデル５００の磁界強度よりも大きくなっていることが理解できる。これは、前述したように、シミュレーションモデル６００では、送電コイルＣＬＡから発せられた磁界によって、３つの中継コイル（ＣＬＣ１〜ＣＬＣ３）が連鎖的に磁気共鳴を起こすからである。これにより、シミュレーションモデル６００（すなわち電力伝送システム４００）では、ｙ＜−１０の領域でも磁界強度を高く維持することができる。中継コイルＣＬＣ１〜ＣＬＣ３を深さ方向に多段的に配置することによって、水中航走体６０に電力供給を行うことが可能な領域が増大する。

より具体的には、中継コイルＣＬＣ１の中心点（ｘ＝０ｍ、ｙ＝−１５ｍ、ｚ＝０ｍ）における磁界強度は、中継コイルが無い場合に比べて３．１ｄＢ増大する。また、中継コイルＣＬＣ２の中心点（ｘ＝０ｍ、ｙ＝−２０ｍ、ｚ＝０ｍ）における磁界強度は、中継コイルが無い場合に比べて１２．５ｄＢ増大する。中継コイルＣＬＣ３の中心点（ｘ＝０ｍ、ｙ＝−２５ｍ、ｚ＝０ｍ）における磁界強度は、中継コイルが無い場合に比べて２０．２ｄＢ増大する。また、ポイント（ｘ＝０ｍ、ｙ＝−３０ｍ、ｚ＝０ｍ）における磁界強度は、中継コイルが無い場合に比べて２５．１ｄＢ増大する。

一方、海面からの深さが１０ｍよりも浅い領域（ｙ＞−１０）では、シミュレーションモデル６００の磁界強度は、シミュレーションモデル５００の磁界強度よりも小さくなっていることが理解できる。これは、前述したように、シミュレーションモデル６００では、送電コイルＣＬＡから発せられた磁界が、２つの反射コイル（ＣＬＲ１、ＣＬＲ２）によって、海底へ反射されるからである。したがって、反射コイルＣＬＲ１、ＣＬＲ２を配置することによって、水面から放射される磁界の強度を小さくすることが可能となる。

より具体的には、反射コイルＣＬＲ１及びＣＬＲ２の中心点（ｘ＝０ｍ、ｙ＝−５ｍ、ｚ＝０ｍ）における磁界強度は、反射コイルが無い場合に比べて４ｄＢ減少する。また、原点（海面）における磁界強度は、反射コイルが無い場合に比べて５．３ｄＢ減少する。

［第１，第２の実施形態の効果等］
このように、第１の実施形態の電力伝送システム１０によれば、送電コイルＣＬＡに印加する交流電圧の周波数を１０ｋＨｚ以下にするので、送電コイルＣＬＡから送電コイルＣＬＡの直径の概半分の領域で、最低でも真空比の３０％程度の磁界強度を維持することができる。したがって、海中を移動する水中航走体６０に対して効率的に非接触電力伝送を行うことが可能になる。したがって、海中での非接触電力伝送では、送電コイルＣＬＡに印加する交流電圧の周波数を１０ｋＨｚ以下に設定することが必要になる。

また、第２の実施形態の電力伝送システム４００によれば、送電コイルＣＬＡと水面９０の間に反射コイルＣＬＲを備えるので、送電コイルＣＬＡから水面９０の方向へ放出される磁界を水底９５の方向へ反射させることができる。これにより、送電コイルＣＬＡから放出された磁界が水面９０から放出されることを抑制できる。よって、送電コイルＣＬＡから放出された磁界と水上や水中での超長波（ＶＬＦ）帯や極超長波（ＵＬＦ）の通信との干渉を抑制することが可能になる。

また、第１，第２の実施形態の電力伝送システム１０、４００によれば、送電コイルＣＬＡは、水中の流れがある環境においても錘４０によって移動が抑制される。そのため、水中航走体６０は、水中の流れがある環境においても、送電コイルＣＬＡに接触する必要なく、磁気共鳴方式による電力伝送の効率低下を抑制して、安定的に電力の供給を受けることができる。従って、水中航走体６０は、データ収集等の活動を行いながら連続給電を受けることが可能になり、給電を受ける際の水中航走体６０の稼働率が向上する。よって、送電装置１００は、水中でのデータ収集活動の効率を向上できる。

また、送電装置１００は、送電装置１００の送電コイルＣＬＡ及び受電装置２００の受電コイルＣＬＢを用いることで、磁気共鳴方式によりワイヤレスで電力伝送できる。また、送電装置１００は、水中航走体６０が所定の給電場所に移動することなく電力を受けられるので、給電時においても水中航走体６０は自由に移動でき、ポジションフリーの電力伝送が可能となる。よって、送電装置１００は、水中航走体６０による水中や水底９５での活動が阻害されることを抑制できる。よって、水中航走体６０は、充電中でも作業範囲を拡大でき、作業中に連続充電できる。また、水中航走体６０は、任意のタイミングで充電できるので、作業時間を短縮できる。

また、送電装置１００は、中継コイルＣＬＣを用いることで、連続した電磁誘導により電力伝送距離を延長できる。例えば、図１に示したように、中継コイルＣＬＣを多段に水面９０付近から水底方向へ配置することで、送電装置１００は、水深の深い位置（例えば水深１０００ｍ以上）まで電力伝送可能となる。この場合、送電装置１００は、海底資源の採掘や調査を行う水中航走体６０に対して、ワイヤレスで電力伝送でき、給電時の水中航走体６０の稼働率の低下を抑制できる。

また、無給電により動作するための大型のバッテリを水中航走体６０が備える必要がないので、水中航走体６０を小型化、軽量化できる。

（他の実施形態）
以上のように、本開示における技術の例示として、第１の実施形態を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用できる。

第１，第２の実施形態では、電力伝送システム１０として、海中又は海底においてデータ収集等を行う海底カメラシステムを例示したが、これ以外の用途に適用されてもよい。例えば、受電装置２００を様々なセンサを備える水中ロボットや無人探査機に設け、水中や水底９５に配置してもよい。これにより、水中ロボットや無人探査機により、水産資源や養殖の管理、橋梁やダムなどのインフラシステムの維持管理、港湾などの海底監視が可能となる。

第１，第２の実施形態では、水面９０から水底９５に向かって、送電コイルＣＬＡ、中継コイルＣＬＣ、及び受電コイルＣＬＢが並んで配置されることを例示したが、コイルＣＬの配置方向はこれに限られない。例えば、水面９０や水底９５に沿う方向に、送電コイルＣＬＡ、中継コイルＣＬＣ、及び受電コイルＣＬＢが並んで配置されてもよい。これにより、送電装置１００は、水中で水平方向に電力伝送できる。

第１，第２の実施形態では、ＣＰＵ１３０，２２０を例示したが、ＣＰＵ１３０，２２０以外のプロセッサが用いられてもよい。プロセッサは、物理的にどのように構成してもよい。また、プログラム可能なプロセッサを用いれば、プログラムの変更により処理内容を変更できるので、プロセッサの設計の自由度を高めることができる。プロセッサは、１つの半導体チップで構成してもよいし、物理的に複数の半導体チップで構成してもよい。複数の半導体チップで構成する場合、第１の実施形態の各制御をそれぞれ別の半導体チップで実現してもよい。この場合、それらの複数の半導体チップで１つのプロセッサを構成すると考えることができる。また、プロセッサは、半導体チップと別の機能を有する部材（コンデンサ等）で構成してもよい。また、プロセッサが有する機能とそれ以外の機能とを実現するように、１つの半導体チップを構成してもよい。

（本開示の一形態の概要）
このように、送電装置１００は、水中において、受電コイルＣＬＢを有する水中航走体６０に電力を伝送する。送電装置１００は、磁界を介して受電コイルＣＬＢに電力を伝送する送電コイルＣＬＡと、周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を送電コイルＣＬＡへ送電する送電部と、第１のコンデンサを備える。第１のコンデンサは、送電コイルＣＬＡに接続されると共に、送電コイルＣＬＡと共に上記周波数で共振する共振回路１５２を形成する。尚、送電部は、例えばドライバ１５１である。第１のコンデンサは、例えばコンデンサＣＡである。

これにより、水中航走体６０は、給電を受ける際に送電装置１００付近に移動する必要がないので、データ収集等の活動を行いながら給電を受けることができる。従って、送電装置１００は、給電時の水中航走体６０の稼働率が向上でき、水中航走体６０の水中でのデータ収等の活動の効率を向上できる。また、送電コイルＣＬＡに印加する交流電圧の周波数を１０ｋＨｚ以下にするので、送電コイルＣＬＡから送電コイルＣＬＡの直径の概半分の領域で、所望の磁界強度を維持できる。従って、水中を移動する水中航走体６０に対して効率的に非接触電力伝送を実施できる。

また、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡからの磁界を用いて受電コイルＣＬＢに電力を伝送する少なくとも１つの中継コイルＣＬＣと、少なくとも１つの第２のコンデンサと、送電コイルＣＬＡと中継コイルＣＬＣとを連結する連結体３０と、を備えてもよい。第２のコンデンサは、中継コイルＣＬＣに接続されると共に、中継コイルＣＬＣと共に上記周波数で共振する共振回路を形成する。尚、第２のコンデンサは、例えばコンデンサＣＣである。

これにより、送電装置１００は、中継コイルＣＬＣを用いて、電力伝送距離を延長できる。また、送電装置１００は、連結体３０により各コイルＣＬの移動を制限でき、共振回路による共振効率を向上できるので、電力伝送効率を向上できる。従って、送電装置１００は、水中において水流が発生しても、水中航走体６０の充電効率が低下することを抑制できる。

また、送電コイルＣＬＡは、水面９０と略直交する方向に電力を伝送してもよい。

これにより、送電装置１００は、深さ方向に電力伝送距離を延長でき、水深の深い場所（深海）に位置する水中航走体６０に対して給電でき、水中航走体６０の作業効率を向上できる。

また、送電コイルＣＬＡは、電力を伝送するとともに、データを通信してもよい。

これにより、水中航走体６０は、データ収集等の活動効率の低下を抑制しながら、送電装置１００からの電力を充電でき、水中航走体６０との間でデータ通信できる。

また、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡが発生する磁界を水底９５に向けて反射する反射コイルＣＬＲを備えてもよい。

これにより、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡから放出された磁界が水面９０から放出されることを抑制でき、送電コイルＣＬＡから放出された磁界と水上や水中での超長波帯や極超長波の通信との干渉を抑制できる。

本開示は、給電時の水中航走体の稼働率を向上できる送電装置等に有用である。

１０，４００ 電力伝送システム
２０ 電線
３０ 連結体
４０ 錘
４５ ブイ
５０ 船舶
６０ 水中航走体
７０ 潜水艇
８０ 水底掘削機
９０ 水面
９５ 水底
１００ 送電装置
１１０ 電源
１２０ ＡＤＣ
１３０ ＣＰＵ
１４０ 情報通信部
１４１ 変復調回路
１５０ 送電回路
１５１ ドライバ
１５２ 共振回路
２００ 受電装置
２１０ 受電回路
２１１ 整流回路
２１２ レギュレータ
２２０ ＣＰＵ
２３０ 充電制御回路
２４０ ２次電池
２５０ 情報通信部
２５１ 変復調回路
３００，５００，６００ シミュレーションモデル
３１０，５１０，６１０ 解析エリア
ＣＬ コイル
ＣＬＡ 送電コイル
ＣＬＢ 受電コイル
ＣＬＣ，ＣＬＣ１，ＣＬＣ２，ＣＬＣ３ 中継コイル
ＣＬＲ，ＣＬＲ１，ＣＬＲ２ 反射コイル
ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ コンデンサ

Claims (5)

1. 水中において、受電コイルを有する水中航走体に電力を伝送する送電装置であって、
   磁界を介して前記受電コイルに電力を伝送する送電コイルと、
   周波数が１０ｋＨｚ以下の交流電圧を前記送電コイルへ送電する送電部と、
   前記送電コイルに接続されると共に、前記送電コイルと共に前記周波数で共振する共振回路を形成する第１のコンデンサと、
   を備える送電装置。
2. 請求項１に記載の送電装置であって、更に、
   前記送電コイルからの磁界を用いて前記受電コイルに電力を伝送する少なくとも１つの中継コイルと、
   前記中継コイルに接続されると共に、前記中継コイルと共に前記周波数で共振する共振回路を形成する少なくとも１つの第２のコンデンサと、
   前記送電コイルと前記中継コイルとを連結する連結体と、
   を備える送電装置。
3. 請求項２に記載の送電装置であって、
   前記送電コイルは、水面と略直交する方向に電力を伝送する、送電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の送電装置であって、
   前記送電コイルは、前記電力を伝送するとともに、データを通信する、送電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の送電装置であって、更に、
   前記送電コイルが発生する磁界を水底に向けて反射する反射コイルを備える、送電装置。