JP6237640B2 - 電力伝送装置及び電力伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、海水等の導体媒質中における電力伝送装置及び電力伝送方法に関する。

近年、海中の資源探査用機器や、地震の早期発見のための海底地震センサー網の普及が進み、これらの機器への電力供給手段に対するニーズが高まっている。これらの機器への電力供給手段としては、周囲が海水であることから、無線電力伝送技術を用いることが望ましい。無線で電力を伝送することができれば、電力供給用の金属プラグを露出させる必要がなく、４Ｓ／ｍ程度の導電率を有する海水中であってもショートする恐れがないからである。前述の海中の資源探査用機器や海底地震センサー網に無線で電力を供給する場合、送電側、あるいは、受電側の少なくとも一方の電力送受電器が固定されておらず、海中ないしは海上で浮遊している。そのため、送電側の機器、あるいは、受電側の機器の姿勢制御の精度を考慮すると、送受電器間の距離は概ね１０ｃｍ以上無いと衝突や接触してしまう可能性がある。そのため、送電側の機器と受電側の機器の間の距離は、概ね１０ｃｍ以上が必要である。

電力を無線で送受電する技術や、電力を無線で送受電するシステムについては、特許文献１に記載の電磁誘導現象を利用したものや、特許文献２に記載のマイクロ波を利用するものが考えられてきた。

しかしながら、近年、特許文献３に記載の磁界エネルギーの共振現象（磁界共鳴）を利用する、無線電力伝送システムが提案されている。この磁界共鳴方式は、Ｑ値の高いコイルを用いて、同一の周波数（共振周波数）で共鳴させることで、送電部と受電部の相互インダクタンスを向上させ、伝送距離の長距離化を図る技術である。そのため、磁界共鳴方式は他の方式に比べ、長い電力伝送距離と高い電力伝送効率の両立が可能であるという特徴を持つ。なお、マイクロ波を用いた方式は、長い電力伝送距離が実現できるが、電力伝送効率が共鳴方式に比べ著しく低い。また、電磁誘導方式は、共鳴方式と同程度の電力伝送効率を実現することも不可能ではないが、電力伝送距離が共鳴方式に比べて著しく短い。そのため、磁界共鳴方式は、電気自動車等の大電力を必要とする移動体や、モバイル機器への新しい充電技術として期待されている。

特開２０１１−０２２６４０号公報 特許第４７７２７４４号公報 特表２０１２−５０４３８７号公報 特開２００２−３０５１２１号公報

しかしながら、前述の磁界共鳴技術を適用した場合においても、海水中では小さな電力伝送効率しか得られない。これは、空気と海水では、その導電率と誘電率が著しく異なるからである。なお、空気の導電率は０Ｓ／ｍ、比誘電率は約１であり、一方、海水の導電率は約４Ｓ／ｍ、比誘電率は約８１である。

空気中のエネルギー伝送の場合、その媒質である大気中でのエネルギーの損失はほとんど無く、電力供給効率の低下要因は、主に、コイルでの導体損失、送電器と受電器の間の整合損、漏れ磁束などの反射損、そして放射損である。

他方、海中でのエネルギー伝送の場合、その媒質である海水が空気に比べ高い導電性を有しているため、媒質中をエネルギーが伝搬する際にも損失が生じる。このエネルギー損失の要因は、海水中の導電率と海水中に発生した電界に基づく。すなわち、この導電率と電界の積に比例した電位勾配が海水中で発生することで損失が生じる。この海水での損失は、磁界共鳴型以外のマイクロ波方式や電磁誘導方式の無線電力伝送システムにおいても同様に起こる。したがって、空気中の場合と同様に、マイクロ波方式や電磁誘導方式での無線電力伝送は、磁界共鳴方式に比べて高い電力伝送効率と長い電力伝送距離を両立させることはできない。

また、磁界共鳴技術の場合、大気中では、送電部のコイルと受電部のコイルの共振周波数を等しくするだけで、効率の良いエネルギー伝送を行うことができた。しかしながら、海水中においては、その比誘電率が８１と大きいため、送電部と受電部の間のインピーダンスの影響が大きく、単純な送受電部の共鳴現象を用いただけでは、エネルギー伝送を行うことが難しい。

また、前述の海中の資源探査用機器や、海底地震センサーなどに給電を行う場合、送電側、あるいは、受電側の少なくとも一方が固定されておらず、海中ないしは海上で浮遊しているため、潮流・浮力等の影響により、送電部、および、受電部の相対位置関係を保持することが難しい。そのため、送受電部間の距離が変化する。これに伴い、比誘電率８１の海水により送受電部間に形成される容量が変化し、共振周波数の変化やインピーダンス整合のずれを引き起こす。この共振周波数の変化や整合ずれは、電力伝送効率の大幅な低下を引き起こす。

以上のように、海水中における無線電力伝送では、海水が空気に比べて高い導電率と高い誘電率を有している事に起因して、電力伝送効率が低下する。具体的には、高い導電率により海水中でエネルギーが損失する。さらに、高い誘電率により、送受電部の相対位置がずれた場合に伝送効率が低下する。ゆえに、海水中における無線電力伝送システムを実用化するためには、これらの課題を解決する事が必須であるが、これらの課題を解決した技術は知られていない。特許文献４には、海水中における無線給電技術が開示されているが、この技術は上記の課題を解決していないため、十分な電力伝送効率を得られる距離はわずか２ｃｍ未満であり、実用上必要とされる１０ｃｍ以上の伝送距離を得られていない。

さらに、図２７の表に示すような各種媒質も、比較的高い導電率と比誘電率を有している。したがって、海水中の他に、このような媒質中を無線で電力伝送しようとする場合にも、同様の問題が生じ得る。

本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、送電部と受電部とが比較的離れた場合であっても、電磁エネルギーの導体媒質への拡散や、送電部と受電部との相対位置ずれによる共振周波数のずれやインピーダンス整合のずれ、に起因する電力損失を抑制することで、海水等の導電体でかつ高誘電体である媒質中における、無線電力伝送の長距離化と高効率化を実現することである。

本発明の電力伝送装置は、導体媒質中において無線で電力伝送する電力伝送装置において、無線で電力を送信する送電部と、前記送電部から送信された電力を受信する受電部と、を備え、前記送電部及び前記受電部は、電力伝送用コイルと、前記電力伝送用コイルを覆う誘電体を有する包含部と、を備え、前記送電部と前記受電部の少なくとも一方は、各々のインピーダンスを可変にするインピーダンス調整部を備え、前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記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前記電力伝送を行う、ことを特徴とする。

本発明の電力伝送方法は、導体媒質中において、各々が誘電体で覆われた電力伝送用コイルを備えた送電部と受電部とが、無線で電力伝送する電力伝送方法において、前記送電部が、無線で電力を送信し、前記受電部が、前記送信された電力を受信し、前記送電部と前記受電部の少なくとも一方のインピーダンス補償を行い、前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記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前記電力伝送を行うことを特徴とする。

本発明によれば、送電部と受電部とが比較的離れた場合であっても、電磁エネルギーの導体媒質への拡散や、送電部と受電部との相対位置ずれによる共振周波数のずれやインピーダンス整合のずれ、に起因する電力損失が抑制されることで、海水等の導電体でかつ高誘電体である媒質中における、無線電力伝送の長距離化と高効率化が実現する。

本発明の第一の実施形態の電力伝送装置の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態の電力伝送装置による無線電力が送電部から受電部へ伝搬する際の、当該無線電力にとっての等価回路図である。 本発明の第一の実施形態の送電部と受電部の容量成分及び送受電部間に生じる容量成分が、電力伝送効率に与える影響を示す図である。 本発明の第一の実施形態の送電用コイルの径と、送電側包含部の寸法比が電力伝送効率に与える影響を示す図である。 本発明の第一の実施形態の送電用コイルの径と、送電側包含部の寸法比を示す図である。 第一の実施形態の電力伝送装置における電界ベクトルと磁界ベクトルを示す図である。 第一の実施形態の電力伝送装置における電界ベクトルと磁界ベクトルに基づいて生じるポインティングベクトル（エネルギーの流れ）を示す図である。 本発明の第二の実施形態の電力伝送装置の構成を示す図である。 本発明の第二の実施形態の電力伝送装置の第一誘電体の誘電正接及び第二誘電体の誘電正接の比が電力伝送効率に与える影響を示したグラフ図である。 本発明の第二の実施形態の電力伝送装置の第一誘電体の比誘電率及び第二誘電体の比誘電率が電力伝送効率に与える影響を示す図である。 本発明の第三の実施形態の電力伝送装置の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態の第一の実施例を示す図である。 本発明の第一の実施形態の第二の実施例を示す図である。 本発明の第一の実施形態の第三の実施例を示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例として、電力伝送装置の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例における送電部の上面概略図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例における電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例における送電部と受電部近傍の電界ベクトルを示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例における送電部と受電部近傍の電界ベクトルを示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例における送電部と受電部近傍の磁界ベクトルを示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例における送電部と受電部近傍の磁界ベクトルを示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例における送電部と受電部近傍のポインティングベクトルを示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例における送電部と受電部近傍のポインティングベクトルを示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例の、大気中におけるポインティングベクトルを示す図である。 本発明の第三の実施形態の第一の実施例の、大気中におけるポインティングベクトルを示す図である。 公知の磁界共鳴技術を用いた場合の、大気中におけるポインティングベクトルを示す図である。 公知の磁界共鳴技術を用いた場合の、大気中におけるポインティングベクトルを示す図である。 本発明の第三の実施形態の第二の実施例として、電力伝送装置の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第二の実施例におけるスパイラルコイルを上面から見たモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第二の実施例におけるスパイラルコイルを側面から見たモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第二の実施例におけるループコイルを、上面から見たモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第二の実施例におけるループコイルを、側面から見たモデル図である。 各種媒質の導電率と比誘電率をまとめた表を示す図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例として、電力伝送装置の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における送電部の側面図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例におけるスパイラルコイルを、受電部側から見たモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例におけるスパイラルコイルを、受電部側からから見たモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例におけるスパイラルコイルを、送電部側からから見たモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例におけるスパイラルコイルを、送電部側からから見たモデル図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例の等価回路図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例におけるインピーダンス調整部の効果を示す図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例におけるインピーダンス調整部の効果を示す図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における、位相器Ｄ３、および、位相器Ｄ４の構成例を示す概要図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における、位相器Ｄ３、および、位相器Ｄ４の構成例を示す概要図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における、位相器Ｄ３、および、位相器Ｄ４の構成例を示す概要図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における、位相器Ｄ３、および、位相器Ｄ４の構成例を示す概要図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における、位相器Ｄ３、および、位相器Ｄ４の構成例を示す概要図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における、位相器Ｄ３、および、位相器Ｄ４の構成例を示す概要図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例の変形例を説明するための等価回路図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例の変形例を説明するための等価回路図である。 海水中において送受電器間の相対位置関係がずれた場合に発生する、給電器の入力インピーダンスの変化を説明するための図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における、インピーダンス補償部の働きを説明するための図である。 本発明の第三の実施形態の第三の実施例における、インピーダンス補償部の働きを説明するための図である。

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。
（第一の実施形態）
以下、本発明の第一の実施形態による電力伝送装置を、図面を参照して説明する。図１は本実施形態による電力伝送装置の構成を示す図である。

図１において、電力伝送装置１は、送電部１１及び受電部１２を備えている。また、送電部１１及び受電部１２は、導体媒質１３に覆われている。送電部１１は、送電用コイル１１１及び送電用コイル１１１を覆う誘電体からなる送電側包含部１１２を備えている。また、受電部１２は、送電部１１と同じく、受電用コイル１２１及び受電側包含部１２２を備えている。送電用コイル１１１、受電用コイル１２１は、銅線などの導体を複数回巻いたものであり、一般的に、ヘリカルコイル、スパイラルコイル等が用いられるが、本実施形態においては、これらに限定されることはない。

なお、本明細書においては、電力伝送装置における送電部及び受電部を総称して電力伝送部とする。また、送電用コイル及び受電用コイルを総称して電力伝送用コイルとする。ここで、送電部は、受電部としての機能を備えていてもよいし、受電部は送電部としての機能を備えていてもよい。また、送電部と受電部が、同一の構成であってもよい。

送電側包含部１１２、受電側包含部１２２は、例えば、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、アクリルなどの、比誘電率が２〜１０程度で、誘電正接が０．０１以下の誘電体で構成する。

また、本明細書では、各実施形態における導体媒質は海水であるとして説明するが、本発明はこれに限定されない。例として、図２７の表に示す河川、淡水、水道水、土、コンクリートのように、導電率が１×１０^−４Ｓ／ｍ以上で、比誘電率が１より大きな物質であってもよい。

ここで、送電部１１から送出された無線電力が受電部１２へと伝搬する際の等価回路を図２に示す。図２は、無線電力が送電部１１から受電部１２へ伝搬する際の、当該無線電力にとっての等価回路図である。

送電部１１及び受電部１２は、さらに、送電用コイル１１１又は受電用コイル１２１のインピーダンスを調整する送電側インピーダンス調整部１１３、受電側インピーダンス調整部１２３を備えている。ここで、送電部１１における送電用コイル１１１のインピーダンスは、主に、誘導成分（インダクタンス成分）Ｌ１及び容量成分（キャパシタンス成分）Ｃ１からなり、これらは、コイルの形状、巻き数、銅線の太さ、及び、送電側包含部１１２を構成する誘電体の誘電率やそのサイズ等によって一意に定まる。同様に、受電部１２における受電用コイル１２１のインピーダンスも、誘導成分Ｌ２及び容量成分Ｃ２からなる。

なお、本明細書においては、送電側インピーダンス調整部及び受電側インピーダンス調整部を総称して、単にインピーダンス調整部とする。

送電部１１に供給された交流電力は、上述したＬ１、Ｌ２、Ｃ１、Ｃ２と、Ｌ３、Ｃ３からなる等価回路を伝搬し、受電部１２へと伝搬する。ここで、Ｌ３は、送電用コイル１１１と受電用コイル１２１における相互インダクタンス成分であり、Ｃ３は、送電部１１と受電部１２及び導体媒質１３で構成される容量成分である。

伝搬する際の伝送効率は、その伝搬路において、伝搬する交流電力の周波数でインピーダンス整合（共振）がとれているか否かが肝要である。そこで、図２に示すように、送電側インピーダンス調整部１１３として可変容量の容量成分Ｃ１’と位相器Ｄ１を、受電側インピーダンス調整部１２３として可変容量の容量成分Ｃ２’と位相器Ｄ２をそれぞれ付加して、任意の周波数でインピーダンス整合が得られるように調整することができる。このようにすれば、送電中に送電部１１と受電部１２の位置関係が変わり、Ｃ３の値が変動したとしても、その変動を補償するようにＣ１’、Ｃ２’、Ｄ１、Ｄ２を適宜調整すれば、共振を維持して安定的な電力を供給することができる。

容量の可変手段には、バラクタダイオード（可変容量ダイオード）を用いることができるし、複数の容量をスイッチトランジスタと組み合わせて構成することもできる。位相器Ｄ１、Ｄ２は、オペアンプ、トランジスタ、ダイオード、伝送線路、可変容量、可変インダクタ、あるいは、それらの組み合わせにより構成できる。

ここで、以降の説明においては、位相器Ｄ１、および、位相器Ｄ２の位相回転量が０°である場合に関し、送電用コイル１１１自身が有する容量成分と可変容量の容量成分の合成容量成分を改めてＣ１とおき、これを、送電部１１のインピーダンスを構成している容量成分Ｃ１として説明する。同様に、受電用コイル１２１自身が有する容量成分と可変容量の容量成分の合成容量成分を改めてＣ２とおき、これを、受電部１２のインピーダンスを構成している容量成分Ｃ２として説明する。

本実施形態の電力伝送装置１においては、送電部１１のインピーダンスを構成している容量成分Ｃ１、受電部１２のインピーダンスを構成している容量成分Ｃ２、送電部１１、受電部１２、及び、その間に存在する導体媒質１３で形成される容量成分Ｃ３、送電部と受電部との間隔距離ｄに関して、所定の条件を満たす場合に、特に高い電力伝送効率を得ることができる。

図３は、送電部１１、受電部１２の容量成分及び送受電部間に生じる容量成分が、電力伝送効率に与える影響を示す図である。図３に示す図によると、上記Ｃ１［ｐＦ］、Ｃ２［ｐＦ］、Ｃ３［ｐＦ］、ｄ［ｃｍ］は以下の条件を満たす場合に、特に高い電力伝送効率が得られることがわかる。
３０＞Ｃ３×ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５ 式（１）
なお、３次元電磁界シミュレーションによれば、本実施形態においては、送電用コイル１１１、受電用コイル１２１が１０ｃｍ^２〜３０ｃｍ^２程度、送電部１１と受電部１２の距離ｄが５ｃｍ〜３０ｃｍ程度の条件で、式（１）を満たすことができる。

また、本実施形態においては、送電用コイル１１１と送電側包含部１１２の寸法比、及び、受電用コイル１２１と受電側包含部１２２の寸法比が所定の条件を満たす場合に、特に高い電力伝送効率を得ることができる。

図４Ａは、送電用コイル１１１の外径と、送電側包含部１１２の寸法比が電力伝送効率に与える影響を示すグラフ図である。図４Ａによると、送電側包含部１１２のコイル面に沿う方向の大きさｄ１と、送電用コイル１１１の外径ｄ２（図４Ｂ）の関係が、比ｄ１／ｄ２を１．２以上にすることで、作製可能な最小比である１よりも５％以上の高い電力伝送効率を得ることができる。さらに、１０％以上の高い電力伝送効率を得たい場合には、比ｄ１／ｄ２の値は１．４以上が好ましい。

なお、受電部１２における受電用コイル１２１の径、及び、受電側包含部１２２の寸法比についても同様の効果を得ることができる。また、送電部１１、受電部１２ともに上記の条件を満たせば、より高い効果を得ることができる。

次に、本実施形態による電力伝送装置１の具体的な動作について順を追って説明する。まず、送電部１１において、交流電源（図示せず）が所定の周波数で交流電力を出力する。次に、出力された交流電力は送電用コイル１１１に供給され、送電用コイル１１１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（導体媒質１３）へと送出する。次に、受電部１２は、送出された電磁エネルギーを、受電用コイル１２１において送入する。ここで、送電側インピーダンス調整部１１３及び受電側インピーダンス調整部１２３は、送電部１１、受電部１２、導体媒質１３の各インピーダンスの合成インピーダンスが、伝送電力の周波数で共振するように調整されている。受電用コイル１２１によって送入された電力は、目的とする負荷（例えば、バッテリー等）に供給され、電力伝送が完了する。

本実施形態による電力伝送装置１では、送電部１１、受電部１２、導体媒質１３の各インピーダンスの合成インピーダンスで共振させることで、受電用コイル１２１に送入される電力を最大とすることができる。また、送電側包含部１１２及び受電側包含部１２２は、導体媒質１３中への電界の拡がりを抑え、これにより、導体媒質１３中に拡散して消滅する電磁エネルギーを抑える効果がある。

図５は、本実施形態による電力伝送装置１における電界ベクトルと磁界ベクトルを示す図であり、図６は、電界ベクトルと磁界ベクトルに基づいて生じるポインティングベクトル（エネルギーの流れ）を示す図である。ここで、電力伝送時において、送電部１１と受電部１２の間に生じる電界と磁界のシミュレーション結果を示す模式図を図５及び図６に示す。図５に示すとおり、本実施形態の電力伝送装置１では、コイル面に対して、その電界と磁界をほぼ平行にすることができる。その結果、図６に示すとおり、送電部１１から受電部１２へのポインティングベクトル（電磁エネルギーの流れ）をほぼ垂直に生じさせることが可能となる。

以上より、本実施の形態による電力伝送装置１は、送電部１１と受電部１２が比較的離れた場合であっても、導体媒質に拡散して消滅してしまう電磁エネルギーを抑えることができ、かつ、誘電率の高い海水中における、送受電器の相対位置ずれによる共振周波数のずれやインピーダンス整合のずれを補償することができる。結果として、海水等の、高誘電率を有し、かつ、導体である媒質中における無線電力伝送で長距離化と高効率化の両立が可能となる。
（第二の実施形態）
図７は本発明の第二の実施形態による電力伝送装置の構成を示す図である。次に、同実施形態による電力伝送装置を、図面を参照しながら説明する。

図７において、電力伝送装置２は、送電部２１及び受電部２２を備えている。また、送電部２１及び受電部２２は、導体媒質２３に覆われている。送電部２１は、送電用コイル２１１、送電用コイル２１１を覆う第一誘電体からなる第一送電側包含部２１２、及び、さらに第一送電側包含部２１２を覆う第二誘電体からなる第二送電側包含部２１３を備えている。また、受電部２２は、送電部２１と同じく、受電用コイル２２１及び第一受電側包含部２２２、第二受電側包含部２２３を備えている。なお、本明細書においては、第一送電側包含部及び第一受電側包含部を総称して第一包含部とし、第二送電側包含部及び第二受電側包含部を総称して第二包含部とする。

第一送電側包含部２１２、第二送電側包含部２１３、第一受電側包含部２２２及び第二受電側包含部２２３は、例えば、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、アクリルなどの、比誘電率が２〜１０程度で、誘電正接が０．０１以下の誘電体で構成する。

また、本実施形態の電力伝送装置２においては、第一送電側包含部２１２を構成する第一誘電体の比誘電率及び第二送電側包含部２１３を構成する第二誘電体の比誘電率は、異なっていてもよいし、同一であってもよい。また、第一送電側包含部２１２を構成する第一誘電体の誘電正接及び第二送電側包含部２１３を構成する第二誘電体の誘電正接は、異なっていてもよいし、同一であってもよい。第一受電側包含部２２２を構成する第一誘電体及び第二受電側包含部２２３を構成する第二誘電体についても同様である。

また、電力伝送装置２の構成を示す図７では、送電部２１及び受電部２２の両方を、第一包含部及び第二包含部を有する構造として記載しているが、本実施の形態においては、送電部２１か、受電部２２のいずれか一方のみを第一包含部及び第二包含部を有する構造としてもよい。

また、本実施形態の電力伝送装置２においても、第一の実施形態で説明したインピーダンス調整部を備えている。

ここで、本実施形態の電力伝送装置２においては、第一送電側包含部２１２及び第二送電側包含部２１３を構成する各誘電体の誘電正接が所定の条件を満たす場合に、さらに高い電力伝送効率を得ることができる。

図８は、第一誘電体の誘電正接及び第二誘電体の誘電正接の比が電力伝送効率に与える影響を示した図である。図８が示すところによると、第二誘電体の誘電正接を第一誘電体の誘電正接よりも大きくすることで、より高い電力伝送効率が得られることがわかる。これは、第二送電側包含部２１３（第二受電側包含部２２３）を構成する第二誘電体によって、導体媒質２３への電界の拡がりを抑制する効果を得るとともに、第一送電側包含部２１２（第一受電側包含部２２２）を構成する第一誘電体の誘電正接を小さくすることで、送電用コイル２１１（受電用コイル２２１）近傍における誘電損失を低減させることができる効果に基づくものである。

また、本実施形態の電力伝送装置２においては、第一送電側包含部２１２及び第二送電側包含部２１３を構成する各誘電体の誘電率が所定の条件を満たす場合にも、さらに高い電力伝送効率を得ることができる。

図９は、第一誘電体の比誘電率及び第二誘電体の比誘電率が電力伝送効率に与える影響を示した図である。図９が示すところによると、第二誘電体の比誘電率を第一誘電体の比誘電率よりも大きくすることで、より高い電力伝送効率が得られることがわかる。

次に、本実施形態による電力伝送装置２の具体的な動作について順を追って説明する。まず、送電部２１において、交流電源（図示せず）が所定の周波数で交流電力を出力する。次に、出力された交流電力は送電用コイル２１１に供給され、送電用コイル２１１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（導体媒質２３）へと送出する。次に、受電部２２は、送出された電磁エネルギーを、受電用コイル２２１において送入する。ここで、送電部２１、受電部２２、導体媒質２３の各インピーダンスの合成インピーダンスは、伝送電力の周波数で共振し、インピーダンス整合のずれを補償するように調整されている。受電用コイル２２１によって送入された電力は、目的とする負荷（例えば、バッテリー等）に供給され、電力伝送が完了する。

本実施形態による電力伝送装置２では、送電部２１、受電部２２、導体媒質２３の各インピーダンスの合成インピーダンスで共振させることで、受電用コイル２２１に送入される電力を最大とすることができる。また、第二送電側包含部２１３及び第二受電側包含部２２３は、導体媒質２３中への電界の拡がりを抑え、これにより、導体媒質１３中に拡散して消滅する電磁エネルギーを抑える効果がある。そして、第一送電側包含部２１２及び第一受電側包含部２２２は、送電用コイル２１１及び受電用コイル２２１近傍における誘電損失を低減させる効果がある。そして、インピーダンス調整部が誘電率の高い海水中における、送受電器の相対位置ずれによる共振周波数のずれやインピーダンス整合のずれを補償する。

以上より、本実施の形態による電力伝送装置２は、第一の実施形態による電力伝送装置１よりもさらに高い電力伝送効率を得ることができる。
（第三の実施形態）
図１０は本発明の第三の実施形態による電力伝送装置の構成を示す図である。次に、同実施形態による電力伝送装置を、図面を参照しながら説明する。

図１０において、電力伝送装置３は、送電部３１及び受電部３２を備えている。また、送電部３１及び受電部３２は、導体媒質３３に覆われている。送電部３１は、送電用コイル３１１、送電用コイル３１１を覆う第一誘電体からなる第一送電側包含部３１２、第一送電側包含部３１２を覆う第二誘電体からなる第二送電側包含部３１３、及び、第二送電側包含部３１３を覆う第三誘電体からなる第三送電側包含部３１４を備えている。また、受電部３２は、送電部３１と同じく、受電用コイル３２１及び第一受電側包含部３２２、第二受電側包含部３２３及び第三受電側包含部３２４を備えている。なお、本明細書においては、第三送電側包含部及び第三受電側包含部を総称して、被覆部とする。

第一送電側包含部３１２、第三送電側包含部３１４、第一受電側包含部３２２及び第三受電側包含部３２４は、例えば、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、アクリルなどの、比誘電率が２〜１０程度で、誘電正接が０．０１以下の誘電体で構成する。

また、第二送電側包含部３１３及び第二受電側包含部３２３は、導体媒質３３（海水）の比重と等しく、導電率の低い液体（例えば、純水、蒸留水）からなる。このようにすることで、第二送電側包含部３１３、第二受電側包含部３２３が、導体媒質３３中（海水中）において、中性浮力として働かせることができる。第二送電側包含部３１３又は第二受電側包含部３２３を中性浮力とすることができれば、例えば、電力伝送装置３を海水中に浮沈させる際に、特別な比重調整用の機構を設ける必要がなくなるため、低コスト化を図ることができる。また、第三誘電体からなる第三送電側包含部３１４、第三受電側包含部３２４は、液体である第二送電側包含部３１３、第二受電側包含部３２３を物理的に閉じ込める。

また、本実施形態の電力伝送装置３においては、第一送電側包含部３１２を構成する第一誘電体の比誘電率、第二送電側包含部３１３を構成する第二誘電体の比誘電率、並びに、第三送電側包含部３１４を構成する第三誘電体の比誘電率は、それぞれ異なっていてもよいし、同一であってもよい。また、第一送電側包含部３１２を構成する第一誘電体の誘電正接、第二送電側包含部３１３を構成する第二誘電体の誘電正接、並びに、第三送電側包含部３１４を構成する第三誘電体の誘電正接は、それぞれ異なっていてもよいし、同一であってもよい。第一受電側包含部３２２を構成する第一誘電体、第二受電側包含部３２３を構成する第二誘電体、並びに、第三受電側包含部３２４を構成する第三誘電体についても同様である。

また、電力伝送装置３の構成を示す図１０では、送電部３１及び受電部３２の両方を、上記に説明した第一包含部、第二包含部及び第三包含部を有する構造として記載しているが、本実施の形態においては、送電部３１か、受電部３２のいずれか一方のみを第一包含部、第二包含部及び第三包含部を有する構造としてもよい。

また、本実施の形態による電力伝送装置３においても、第一の実施形態で説明したインピーダンス調整部を備えている。

次に、本実施形態による電力伝送装置３の具体的な動作について順を追って説明する。まず、送電部３１において、交流電源（図示せず）が所定の周波数で交流電力を出力する。次に、出力された交流電力は送電用コイル３１１に供給され、送電用コイル３１１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（導体媒質３３）へと送出する。次に、受電部３２は、送出された電磁エネルギーを、受電用コイル３２１において送入する。ここで、送電部３１、受電部３２、導体媒質３３の各インピーダンスの合成インピーダンスは、伝送電力の周波数で共振するように調整されている。誘電率の高い海水中における、送受電器の相対位置ずれによる、共振周波数のずれやインピーダンス整合のずれは、インピーダンス調整部により補償される。

本実施形態による電力伝送装置３では、送電部３１、受電部３２、導体媒質３３の各インピーダンスの合成インピーダンスで共振させることで、受電用コイル３２１に送入される電力を最大とすることができる。また、第二送電側包含部３１３及び第二受電側包含部３２３は、導体媒質３３中への電界の拡がりを抑え、これにより、導体媒質３３中に拡散して消滅する電磁エネルギーを最小限に抑える効果がある。そして、第一送電側包含部３１２及び第一受電側包含部３２２は、送電用コイル３１１及び受電用コイル３２１近傍における誘電損失を低減させる効果がある。また、誘電率の高い海水中における、送受電器の相対位置ずれによる、共振周波数のずれやインピーダンス整合のずれによる、電力伝送効率の低下を抑える効果がある。

さらに、本実施の形態による電力伝送装置３では、第三送電側包含部３１４、第三受電側包含部３２４を具備しているので、第二送電側包含部３１３及び、第二受電側包含部３２３に、導体媒質３３（海水）の比重と等しく、導電率の低い液体（例えば、純水、蒸留水）を用いることができる。したがって、送電部３１及び受電部３２は、第二送電側包含部３１３及び第二受電側包含部３２３を中性浮力として働かせることができる。

以上より、本実施の形態による電力伝送装置３は、特別な比重調整用の機構を設ける必要がないので、第一の実施形態による電力伝送装置１及び第二の実施形態による電力伝送装置２よりもさらに低コスト化を図ることができる。
（実施例１）
次に、図１１に、第一の実施形態について、第一の実施例を示す。図１１では、電力伝送装置１の送電部１１が電力供給源１４に具備され、受電部１２が潜水艇１５に具備されている。本発明を用いることで、潮流が起こって電力供給源１４と潜水艇１５の位置関係が変動した場合であっても、安定して電力供給を行うことが可能になる。
（実施例２）
また、図１２に、第一の実施形態について、第二の実施例を示す。図１２では、電力伝送装置１の送電部１１が潜水艇１６に具備され、受電部１２が潜水艇１７に具備されている。本発明を用いることで、潮流が起こって潜水艇１６と潜水艇１７の位置関係が変動した場合であっても、安定して電力供給を行うことが可能になる。

また、潜水艇１６と潜水艇１７は、送電部１１を受電部として用い、受電部１２を送電部として用いることで、双方向に電力供給を行うことが可能である。あるいは、潜水艇１６及び潜水艇１７は、送電部１１と受電部１２の両方を具備しても良い。なお、受電部１２を備える潜水艇１７は、船舶または海底に敷設されたセンサー装置等であってもよい。
（実施例３）
次に、図１３に、第一の実施形態について、第三の実施例を示す。送電部１１が電源ケーブル１８の接続部に具備され、受電部１２が電源ケーブル１９の接続部に具備されている。本発明を用いることで、海水中であっても、無線で電力供給をすることで、ケーブル間を非接触で接続することが可能になり、電源ケーブルの交換が容易になり、磨耗することなく信頼性も向上する。

また、電源ケーブル１８と電源ケーブル１９は、送電部１１を受電部として用い、受電部１２を送電部として用いることで、双方向に電力供給を行うことが可能である。さらに、前記電源ケーブル１８と前記電源ケーブル１９は、送電部１１と受電部１２を両方具備しても良い。

また、送電部１１及び受電部１２に無線で情報伝送する機能を搭載してもよい。送電部１１を送信機として用い、受電部１２を受信器として用いることで、無線通信用の機構を別途設ける必要がないため、小型で低コストのシステムとすることができる。
（実施例４）
図１４は、第三の実施形態による電力伝送装置４の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。次に、本発明の第三の実施形態の第一の実施例として、その効果を実証した具体的なシミュレーションモデルについて、図１４を参照しながら説明する。図１４において、電力伝送装置４は、送電部４１及び受電部４２を備えている。また、送電部４１及び受電部４２は、導体媒質として海水４３に覆われている。前記送電部４１は、ヘリカルコイル（送電用コイル）４１１、内部誘電体（第一送電側包含部）４１２、外部誘電体（第二送電側包含部）４１３、被覆誘電体（第三送電側包含部）４１４を備えている。前記受電部４２は、ヘリカルコイル（受電用コイル）４２１、内部誘電体（第一受電側包含部）４２２、外部誘電体（第二受電側包含部）４２３、被覆誘電体（第三受電側包含部）４２４を備えている。

図１５は、本実施例の送電部４１の上面概略図である。図１５に示すヘリカルコイル４１１は、直径２ｍｍの導線を、外径２２０ｍｍ、内径１００ｍｍで２９巻きした単層コイルを２枚、距離３ｍｍ離して対向させた構造からなる。この対抗させたヘリカルコイルに対して給電ポートから交流電力を印加する。内部誘電体４１２はフッ素樹脂で構成し、被覆誘電体４１４はアクリルで構成する。被覆誘電体４１４のサイズは、縦２５５ｍｍ、横２５５ｍｍ、高さ１９ｍｍである。前記電力伝送装置４の共振周波数は約１ＭＨｚである。ここで、本実施例では、ヘリカルコイルの外径のサイズｄ２と、被覆誘電体のサイズｄ１の比ｄ１／ｄ２が、１より大きい１．１６であっても、充分高い電力伝送効率が得られている。ただし、ｄ１／ｄ２の比を、１．１６より大きくすれば、さらに高い電力伝送効率が得られる。

受電部４２は、送電部４１と同じ構成としている。ただし、ここで示した構成は一例であって、送電部４１と受電部４２が同じ構成でなくても、同様の効果が得られる。

図１６は、本実施例における電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。送電部４１と受電部４２との間の距離ｄを１０ｃｍとし、海水中において電力伝送効率のシミュレーションを行ったところ、図１６に示すとおり、伝送電力の周波数ｆが１ＭＨｚ付近において、４０％以上の高い電力伝送効率を得ることができた。

図１７Ａ、Ｂ及び図１８Ａ、Ｂは、それぞれ、本実施例における送電部４１、受電部４２近傍の電界ベクトル及び磁界ベクトルを示す図であり、図１９Ａ、Ｂは、本実施例における送電部４１、受電部４２近傍のポインティングベクトルを示す図である。上述した実施例による電力伝送装置４における電界、磁界、並びにポインティングベクトルに関して、詳細な三次元電磁界シミュレーションを行った結果について、図１７〜図１９を参照しながら説明する。

本実施例では、図１７Ａ、Ｂに示すとおり、電界の流れがコイル面と平行な面に沿って回転しており、かつ、図１８Ａ、Ｂで示すとおり、磁界の流れがコイル面と平行な面に沿って放射状に生成されている。このような電界と磁界の流れに基づいて、コイル面とほぼ垂直な方向にポインティングベクトル（エネルギーの流れ）が発生する（図１９Ａ、Ｂ）。この結果、送電部４１と受電部４２との間の距離が１０ｃｍ程度離れた海水中であっても、コイル面に対してほぼ垂直な方向にエネルギーの流れが形成され、海水中での長距離化が可能となる。

図２０Ａ、Ｂは、本実施例による電力伝送装置４の、大気中におけるポインティングベクトルを示す図である。本実施例による電力伝送装置４の送電部４１と受電部４２を、大気中において、１０ｃｍの距離を離してシミュレーションを行った結果について、図２０Ａ、Ｂを参照しながら説明する。

図２０Ａ、Ｂに示すとおり、送受電部面に対して垂直なエネルギーの流れは生じず、エネルギーは螺旋を描くような流れとなっている。すなわち、コイル面に対してほぼ垂直なエネルギーの流れが生じる現象は、導体媒質中を伝搬するエネルギー特有の現象であり、大気中を伝搬する際には生じない現象である。すなわち、本発明は、コイル面に対してほぼ垂直なエネルギーの流れが生じるという特有の現象を利用している。

図２１Ａ、Ｂは、従来の磁界共鳴技術を用いた場合の、大気中におけるポインティングベクトルを示す図である。次に、この磁界共鳴技術を用いた、大気中でのシミュレーションを行った結果について、図２１Ａ、Ｂを参照しながら説明する。

図２１Ａ、Ｂに示すとおり、この場合も、図２０Ａ、Ｂと同様、コイル面に対して垂直なエネルギーの流れは生じずに、エネルギーは螺旋を描くような流れとなっている。この場合における電力伝送効率は９０％である。なお、既に述べたように、従来の技術による電力伝送装置を用いて、海水中において、無線電力伝送を試みても高い電力伝送効率は得られず、シミュレーションの結果では、１０ｃｍの距離で１０％程度の電力伝送効率しか得られないことが分かった。

図１８Ａ、Ｂは、図１４と図１５とに示す送電部４１と受電部４２のヘリカルコイル４１１、ヘリカルコイル４２１を貫く鎖交磁束が最大となる位相条件における磁界の様子を示している。従来の磁界共鳴技術と、本実施例による電力伝送装置４との物理的な相違点について、図１８Ａ、Ｂを参照しながら説明する。図１８Ａ、Ｂに示すとおり、送電部４１のヘリカルコイル４１１を貫く鎖交磁束と、受電部４２のヘリカルコイル４２１を貫く鎖交磁束が互いに逆方向の向きとなることで、磁界が最大となり、コイル面に対して平行な磁界を生成している。

一方、磁界共鳴を用いた無線電力伝送技術では、密結合にした場合に共振周波数が２つに分割し、高い方の共振周波数において、送電部と受電部のコイルを貫く鎖交磁束の位相が逆相となることが一般に知られている。また、同技術において、共振周波数が分割しない疎結合の状態においては、送電部と受電部のコイルを貫く鎖交磁束の位相が同相となることが知られている。

本発明は、密結合状態ではなく、共振周波数が分割しない疎結合の状態で、送電部と受電部のアンテナ・コイルを貫く鎖交磁束の位相が逆相となることが、従来の磁界共鳴技術との本質的な違いである。
（実施例５）
図２２は、第三の実施形態による電力伝送装置５の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。次に、本発明の第三の実施形態の第二の実施例として、その効果を実証した具体的なシミュレーション結果について、図２２を参照しながら説明する。

図２２において、電力伝送装置５は、送電部５１及び受電部５２を備えている。また、送電部５１及び受電部５２は、導体媒質として海水５３に覆われている。前記送電部５１は、スパイラルコイル５１１１、ループコイル５１１２、内部誘電体（第一送電側包含部）５１２、外部誘電体（第二送電側包含部）５１３、被覆誘電体（第三送電側包含部）５１４を備えている。前記受電部５２は、スパイラルコイル５２１１、ループコイル５２１２、内部誘電体（第一受電側包含部）５２２、外部誘電体（第二受電側包含部）５２３、被覆誘電体（第三受電側包含部）５２４を備えている。

図２３及び図２４は、それぞれ、本実施例におけるスパイラルコイル５１１１（スパイラルコイル５２１１）を上面及び側面から見たモデル図である。スパイラルコイル５１１１は、フッ素樹脂からなる誘電体基板５１１３と金属配線からなるスパイラル配線５１１４で構成される。誘電体基板５１１３は厚さ１ｍｍ、縦２７０ｍｍ、横２７０ｍｍで構成される。スパイラル配線５１１４は、縦２６０ｍｍ、横２６０ｍｍ、配線幅６ｍｍ、厚さ５０μｍ、１０巻きで構成される。

図２５及び図２６は、それぞれ、本実施例におけるループコイル５１１２（ループコイル５２１２）を、上面及び側面から見たモデル図である。ループコイル５１１２は、フッ素樹脂からなる誘電体基板５１１５と金属配線からなるループ配線５１１６で構成される。誘電体基板５１１５は厚さ１ｍｍ、縦２７０ｍｍ、横２７０ｍｍで構成される。ループ配線５１１６は、縦２６０ｍｍ、横２６０ｍｍ、配線幅６ｍｍ、厚さ５０μｍで構成される。

スパイラルコイル５１１１とループコイル５１１２は、内部誘電体５１２内において３ｍｍの距離を離している。前記送電部５１と前記受電部５２を、海水中で１０ｃｍの距離を離してシミュレーションしたところ、５５％以上の高い電力伝送効率が得られた。なお、共振周波数は約１ＭＨｚである。本実施例では、受電部５２は、送電部５１と同じ構成としている。ただし、ここで示した構成は一例であって、送電部５１と受電部５２が同じ構成でなくても、同様の効果が得られる。

本実施例のように、誘電体基板上にコイルを形成することで量産性が増すとともに、作製精度が高まり、個体ごとの特性ばらつきを低減することができる。そうすると、送電部と受電部の共振周波数を同一にすることができ、より高い電力伝送効率を得ることが可能となる。
（実施例６）
図２８は本発明の第三の実施形態による電力伝送装置６の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。次に、本発明の第三の実施形態の第三の実施例として、その効果を実証した具体的なシミュレーション結果について、図２８を参照しながら説明する。

図２８において、電力伝送装置６は、送電部６１及び受電部６２を備えている。また、送電部６１及び受電部６２は、海水６３に覆われている。送電部６１は、スパイラルコイル６１１１とスパイラルコイル６１１２からなる送電用コイル、送電用コイルを覆う第一誘電体からなる第一送電側包含部６１２、第一送電側包含部６１２を覆う第二誘電体からなる第二送電側包含部６１３、及び、第二送電側包含部６１３を覆う第三誘電体からなる第三送電側包含部６１４を備えている。また、受電部６２は、送電部６１と同じく、スパイラルコイル６２１１とスパイラルコイル６２１２からなる受電用コイル及び第一受電側包含部６２２、第二受電側包含部６２３及び第三受電側包含部６２４を備えている。

ここで、本実施例におけるシミュレーションモデルは、図２８に示すとおり、第二送電側包含部６１３（第二受電側包含部６２３）が、第一送電側包含部６１２（第一受電側包含部６２２）の上面及び下面（コイル面と平行な面）のみを覆う構造となっている。すなわち、第一送電側包含部６１２（第一受電側包含部６２２）を、第二送電側包含部６１３（第二受電側包含部６２３）で挟み込むような態様となっている。一方、第一送電側包含部６１２（第一受電側包含部６２２）の側面（コイル面と垂直な面）は、直接、第三送電側包含部６１４（第三受電側包含部６２４）によって覆われる構造となっている。

図２９は、本実施例における送電部６１を側面から見たモデル図である。第一送電側包含部６１２は、縦２５０ｍｍ、横２５０ｍｍ、高さ４．５ｍｍのフッ素樹脂で構成される。比誘電率は１０．２、誘電正接は０．００２３である。また、第二送電側包含部６１３は、２つの、縦２５０ｍｍ、横２５０ｍｍ、高さ６ｍｍのフッ素樹脂で構成される。比誘電率は６．２、誘電正接は０．００１９である。また、第三送電側包含部６１４は、縦２６０ｍｍ、横２６０ｍｍ、高さ２６．５ｍｍ、厚さ５ｍｍのアクリルで構成される。アクリルの比誘電率は３．３、誘電正接は０．０４である。なお、本実施例においては、受電部６２も、上述した送電部６１と同じ構成としてシミュレーションを行っている。

図３０及び図３１は、それぞれ、本実施例における送電部６１のスパイラルコイル６１１１と６１１２を受電部側から見たモデル図である。スパイラルコイル６１１１は、外周辺２０８ｍｍ、５０巻の導体からなる配線で構成される。前記配線の直径は１ｍｍ、前記配線の間隔は１ｍｍである。スパイラルコイル６１１２は、スパイラルコイル６１１１と同サイズとした。スパイラルコイル６１１１とスパイラルコイル６１１２は、０．５ｍｍの距離を離して配置される。スパイラルコイル６１１１の最外周の端部と、スパイラルコイル６１１２の最外周の端部が、高周波電力の給電ポートとなる。スパイラルコイル６１１１の螺旋の向きと、スパイラルコイル６１１２の螺旋の向きは、給電ポートを介して、同じ方向に磁界が発生する向きで構成する。

図３２及び図３３は、それぞれ、本実施例における受電部６２のスパイラルコイル６２１１と６２１２を送電部側から見たモデル図である。スパイラルコイル６２１１は、外周辺２０８ｍｍ、５０巻の導体からなる配線で構成される。前記配線の直径は１ｍｍ、前記配線の間隔は１ｍｍである。スパイラルコイル６２１２は、スパイラルコイル６２１１と同サイズとした。スパイラルコイル６２１１とスパイラルコイル６２１２は、０．５ｍｍの距離を離して配置される。スパイラルコイル６２１１の最外周の端部と、スパイラルコイル６２１２の最外周の端部が、高周波電力の受電ポートとなる。スパイラルコイル６２１１の螺旋の向きと、スパイラルコイル６２１２の螺旋の向きは、受電ポートを介して、同じ方向に磁界が発生する向きで構成する。

前記送電部６１と前記受電部６２を、海水中で１０ｃｍの距離を離してシミュレーションしたところ、図３４で示すように、７２％以上の高い電力伝送効率が得られた。なお、共振周波数は約１４０ｋＨｚである。本実施例では、受電部６２は、送電部６１と同じ構成としている。ただし、ここで示した構成は一例であって、送電部６１と受電部６２が同じ構成でなくても、同様の効果が得られる。

本実施例によるシミュレーションで示されたように、コイルを被覆する誘電体を複数で構成することで、誘電体内の損失を増加させずに、高い電力伝送効率が得られる。

ここまでは、海中で送受電器が固定され、その相対位置関係が変化しない場合、すなわち理想的な状態に関して述べた。しかしながら、前述したように、海中においては潮流や浮力の影響により、送受電器の相対位置が変化することが有り得る。そのため、共振周波数の変化やインピーダンス整合条件が悪化により電力伝送効率が悪化する。その課題に対し、本発明ではインピーダンス調整部によってインピーダンスの不整合を補償することにより、高い電力伝送効率を実現できる。以下では、その構成、動作、効果について詳細に説明する。

図３５は本実施例の等価回路図である。この図を用いて、本実施例における、インピーダンス調整部の構成、動作、および、効果に関して説明する。

まず、本実施例の構成について説明する。本実施例においては、図３５に示すように、電力伝送装置６を構成する送電部６１、および、受電部６２が、送電側インピーダンス調整部６１５、および、受電側インピーダンス調整部６２５を有している。送電側インピーダンス調整部６１５は、送電部６１に交流電力を入力する交流電源（図示せず）と、スパイラルコイル６１１２間に直列に接続されている。受電側インピーダンス調整部６２５は、スパイラルコイル６２１２と、受電された電力を消費する負荷（図示せず）間に直列に接続されている。

この送電側インピーダンス調整部６１５は、回路に対して直列に接続された位相器Ｄ３、および、並列に接続された可変容量Ｃ４’で構成され、受電側インピーダンス調整部６２５は、回路に対して直列に接続された位相器Ｄ４、および、並列に接続された可変容量Ｃ７’で構成されている。

この位相器Ｄ３、および、Ｄ４は、例えば、図３９Ａ〜Ｃ、図４０Ａ、Ｂに示すような、伝送線路、トランジスタ、ダイオード、可変容量、可変インダクタ、又はそれらを組み合わせた回路によって実現できる。図３９Ａに示した回路は、伝送線路と、伝送線路間に並列に接続されたトランジスタにより構成されている。伝送線路の電気長に応じて、動作周波数の位相が回転する。トランジスタに印加されるバイアス電圧に応じて、トランジスタの入力容量が変化し、その入力容量によって生じる反射により、位相が回転する。適切な伝送線路の長さ、および、トランジスタに印加されるバイアス電圧を選択することで、位相回転を実現することができる。図３９Ｂに示した回路は、伝送線路と、伝送線路間に並列に接続されたダイオードで構成されている。この回路においても、図３９Ａに示した回路と同様に、伝送線路の電気長、ダイオードに印加されるバイアスに応じて位相回転を得ることができる。図３９Ｃに示した回路は、可変インダクタと、可変インダクタに並列に接地されたトランジスタで構成されている。この回路においても、可変インダクタとトランジスタに印加されるバイアス電圧に応じて、位相回転を得ることができる。このように、伝送線路を用いなくても、位相回転を得ることが可能である。また、図４０Ａや図４０Ｂに示した通り、機械的に伝送線路の長さを切り替える機構を設けても良い。さらに、図３９Ａ〜Ｃや図４０Ａ、Ｂに示した回路を多段化して位相回転を得てもよい。

また、図３８に示すようなオペアンプを用いることで、ＭＨｚ程度以下の周波数帯においては、より小型に位相器Ｄ３、および、Ｄ４を実現できる。図３８に示した回路においては、Ｃ＿１、および、Ｒ＿１で決まる以下の周波数ｆｃを中心（ｆｃにおける位相回転は９０°）として、ＤＣから任意の周波数の間で、０°から１８０°までの位相回転が得られる。
ｆｃ＝１／（２πＣ＿１×Ｒ＿１） （式２）
すなわち、Ｃ＿１、および、Ｒ＿１の選択により、任意の周波数で任意の位相回転が得られる。この回路は、前述の伝送線路、可変インダクタ、可変容量等の、低周波帯においてサイズが増加する素子を用いない。そのため、伝送線路を用いた場合よりも小型に実現可能である。

なお、図３５で図示したとおり、スパイラルコイル６１１１、６１１２、６２１１、６２１２の等価回路は、並列に接続された誘導成分、容量成分、抵抗成分で構成されている。また、Ｃ８は、スパイラルコイル６１１１と、スパイラルコイル６１１２間の第一送電側包含部６１２により形成される容量成分であり、Ｃ９は、スパイラルコイル６２１１と、スパイラルコイル６２１２間の第一受電側包含部６２２により形成される容量成分である。また、Ｌ３’は、送電用コイル６１１２と受電用コイル６２１１における相互インダクタンス成分であり、Ｃ３’は、送電部６１と受電部６２及び導体媒質である海水６３で構成される容量成分である。

次に、本実施例におけるインピーダンス調整部の動作について順を追って説明する。送電部６１、および、受電部６２を構成する、スパイラルコイル６１１１、６１１２、６２１１、６２１２は、前述の通り、海水６３を通じて電力伝送を行う。次に、送電側インピーダンス調整部６１５、および、受電側インピーダンス調整部６２５を構成する位相器Ｄ３、および、位相器Ｄ４が電力伝送装置６により送受電される電力の位相を回転させる。次に、送電側インピーダンス調整部６１５、および、受電側インピーダンス調整部６２５を構成する可変容量Ｃ４’、可変容量Ｃ７’が容量を可変させる。ここで、Ｄ３、Ｄ４、Ｃ４’、Ｃ７’は電力の反射条件、すなわち、共振周波数条件、あるいは、インピーダンス整合条件を補償するように位相量、容量を可変させる。

次に、本実施例の効果について説明する。図３６はインピーダンス調整部を付加した場合と、付加していない場合の、送電部６１の入力端から見たＳ１１のシミュレーション結果を示した図である。図３７はインピーダンス調整部を付加した場合と、付加していない場合の、電力伝送効率（Ｓ２１）のシミュレーション結果を示した図である。シミュレーションでは、スパイラルコイル間の距離は２０ｃｍとした。また、位相器Ｄ３、位相器Ｄ４の位相回転量は動作周波数、すなわち、約１４０ＫＨｚの周波数に対して１３０°とした。また、可変容量Ｃ４’、可変容量Ｃ７’の容量は４ｎＦとした。また、Ｓ１１、および、Ｓ２１を計算するためのポートインピーダンス（規格化インピーダンス）は５０Ｏｈｍとした。

図３６で示したように、インピーダンス調整部を付加した場合においては、Ｓ１１、すなわち、電力の反射量が改善されていることが分かる。また、図３７で示したように、インピーダンス調整部を付加した場合においては、動作周波数である約１４０ＫＨｚ近辺における電力伝送効率が改善していることが分かる。

図４２に、海中において、潮流や浮力の影響により、送受電コイル間の距離が変化した場合に起こる、Ｃ３’の変化による入力ポートの入力インピーダンスの変化を示す。送受電コイル間の距離が近くなった場合、基準点（図中に黒丸で示した）に対して入力ポートの入力インピーダンスは、負の方向４２ａに変化し、送受電コイル間の距離が遠くなった場合、基準点に対して入力ポートの入力インピーダンスは、正の方向４２ｂに変化する。

本技術を用いた場合、図４３Ａ、Ｂに示した通り、Ｃ３’の増加、あるいは、減少に係らず補償を行うことが可能である。すなわち、図の例では、入力ポートインピーダンスが負の方向に変化した場合、位相器によりおよそ１５０°の位相回転によるインピーダンス補償４３Ａａを行ったのち、並列に接続された可変容量によるインピーダンス補償４３Ａｂにより、整合を取ることができる。入力インピーダンスが正の方向に変化した場合、位相器によりおよそ３３０°の位相回転によるインピーダンス補償４３Ｂａを行ったのち、並列に接続された可変容量によりインピーダンス補償４３Ｂｂにより、整合を取ることができる。

このインピーダンス調整部によるインピーダンス補償の効果は、無線で送受される電力の周波数ｆが高くなるほど大きくなる。図３５で示した通り、送電部６１と受部６２は、相互インダクタンス成分Ｌ３’、および容量成分Ｃ３’を介して結合しており、Ｃ３’の周波数ｆに与える影響は、周波数が高くなるほど大きくなるためである。これらのＬ３’、および、Ｃ３’によるインピーダンスＺは以下の式で表すことができる。
Ｚ＝ｊω×Ｌ３’／（−ω^２×Ｌ３’×Ｃ３’＋１） （式３）
周波数ｆが低い場合には、ω^２×Ｌ３’×Ｃ３’が１に対して小さくなるため、Ｃ３’の影響が小さくなり、Ｚは、ω×Ｌ３’に近づく。一方周波数ｆが高い場合には、ω^２×Ｌ３’×Ｃ３’が１より大きくなり、Ｚに対して影響を与える。すなわち、Ｃ３’の影響が大きくなる。本補償回路はＣ３’の変化を補償するため、特に、ω^２×Ｌ３’×Ｃ３’が１に対して大きい場合に、高い効果が得られる。発明者らが、シミュレーションにより検証を行った結果、ｄを１０ｃｍから５ｃｍに変化させた場合において、動作周波数１３０ＫＨｚの場合はＳ２１の改善量が１ｄＢであったのに対し、動作周波数１ＭＨｚの場合は３ｄＢであり、より高い効果が得られた。

なお、本実施例においては、送電部、受電部が共にインピーダンス調整部を有する構成に関して述べたが、図４１に示すように、送電部、あるいは、受電部の一方のみがインピーダンス調整部を有する構成に関しても同様に、前述のインピーダンス補償の効果が得られる。

すなわち、本実施例によるシミュレーションで示されたように、インピーダンス調整部の働きにより、インピーダンス整合条件を改善することが可能になり、海水中等の導電性、かつ、高い誘電率を有する媒質中においても、高い電力伝送効率が得られる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、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ことはいうまでもない。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記）
（付記１）
導体媒質中において無線で電力伝送する電力伝送装置において、無線で電力を送信する送電部と、前記送電部から送信された電力を受信する受電部と、を備え、前記送電部及び前記受電部は、電力伝送用コイルと、前記電力伝送用コイルを覆う誘電体を有する包含部と、を備え、前記送電部と前記受電部の少なくとも一方は、各々のインピーダンスを可変にするインピーダンス調整部を備え、前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記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前記電力伝送を行うことを特徴とする、電力伝送装置。
（付記２）
前記送電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分（Ｃ１［ｐＦ］）と、前記受電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分（Ｃ２［ｐＦ］）と、前記送電部と前記受電部と前記導体媒質とで形成されるキャパシタンス成分（Ｃ３［ｐＦ］）と、前記送電部と前記受電部との間隔（ｄ［ｃｍ］）とが、３０＞Ｃ３・ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５の関係を満たすことを特徴とする、付記１に記載の電力伝送装置。
（付記３）
前記包含部の前記電力伝送用コイルの面に沿う方向の外径（ｄ１［ｃｍ］）と、前記電力伝送用コイルの外径（ｄ２［ｃｍ］）とが、ｄ１／ｄ２＞１．２の関係を満たすことを特徴とする、付記１または付記２に記載の電力伝送装置。
（付記４）
前記包含部は、前記電力伝送用コイルを覆う第一誘電体を有する第一包含部と、前記第一包含部を覆う第二誘電体を有する第二包含部と、を備えることを特徴とする、付記１から付記３の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記５）
前記包含部は、前記第二包含部を覆う第三誘電体を有する被覆部を備えることを特徴とする、付記４に記載の電力伝送装置。
（付記６）
前記第二誘電体は、前記導体媒質と比重が等しい誘電体からなることを特徴とする、付記４または付記５に記載の電力伝送装置。
（付記７）
前記第一誘電体の誘電正接は、前記第二誘電体の誘電正接よりも低い、もしくは、同一であることを特徴とする、付記４から付記６の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記８）
前記第一誘電体の比誘電率は、前記第二誘電体の比誘電率よりも低い、もしくは、同一であることを特徴とする、付記４から付記７の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記９）
前記導体媒質は、導電率が１×１０^−４より高く、かつ、比誘電率が１より高いことを特徴とする、付記１から付記８の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記１０）
前記位相器は、オペアンプを用いて構成されていることを特徴とする、付記１から付記９の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記１１）
前記導体媒質は、海水、河川、淡水、水道水、土、コンクリートのいずれかを有することを特徴とする、付記１から付記１０の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記１２）
前記導体媒質中に発生した電界の一部もしくは全部は、前記送電部または前記受電部の電力伝送用コイル面に対して略平行に回転し、前記導体媒質中に発生した磁界の一部もしくは全部は、前記送電部または前記受電部の電力伝送用コイル面に対して略平行であることを特徴とする、付記１から付記１１の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記１３）
前記送電部の電力伝送用コイルを貫く磁束と、前記受電部の電力伝送用コイルを貫く磁束とを、互いに逆方向とすることで前記電力伝送用コイル面に対して平行な磁界を生成することを特徴とする、付記１２に記載の電力伝送装置。
（付記１４）
海水中に設置した電力供給源または船舶または潜水艇に前記送電部を搭載し、海水中に設置したセンサーまたは船舶または潜水艇に前記受電部を搭載したことを特徴とする、付記１から付記１３の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記１５）
海水中に敷設された電源ケーブルの接続部に、前記送電部と前記受電部とを搭載したことを特徴とする、付記１から付記１３の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記１６）
前記送電部を情報伝送する送信機として用い、前記受電部を情報伝送する受信器として用いることで、電力伝送及び無線通信を同時に行うことを特徴とする、付記１から付記１５の何れか一に記載の電力伝送装置。
（付記１７）
導体媒質中において、各々が誘電体で覆われた電力伝送用コイルを備えた送電部と受電部とが、無線で電力伝送する電力伝送方法において、前記送電部が、無線で電力を送信し、前記受電部が、前記送信された電力を受信し、前記送電部と前記受電部の少なくとも一方のインピーダンス補償を行い、前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記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前記電力伝送を行うことを特徴とする、電力伝送方法。
（付記１８）
前記送電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分（Ｃ１［ｐＦ］）と、前記受電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分（Ｃ２［ｐＦ］）と、前記送電部と前記受電部と前記導体媒質とで形成されるキャパシタンス成分（Ｃ３［ｐＦ］）と、前記送電部と前記受電部との間隔（ｄ［ｃｍ］）が、３０＞Ｃ３・ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５の関係を満たすことを特徴とする、付記１７に記載の電力伝送方法。

この出願は、２０１２年１１月８日に出願された日本出願特願２０１２−２４５９０７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、海水等の導体媒質中における電力伝送装置及び電力伝送方法に関し、海中の資源探査用機器や、地震の早期発見のための海底地震センサー網の機器への電力供給手段としての利用が可能である。

１ 電力伝送装置
１１ 送電部
１１１ 送電用コイル
１１２ 送電側包含部
１１３ 送電側インピーダンス調整部
１２ 受電部
１２１ 受電用コイル
１２２ 受電側包含部
１２３ 受電側インピーダンス調整部
１３ 導体媒質
１４ 電力供給源
１５、１６、１７ 潜水艇
１８、１９ 電源ケーブル
２ 電力伝送装置
２１ 送電部
２１１ 送電用コイル
２１２ 第一送電側包含部
２１３ 第二送電側包含部
２２ 受電部
２２１ 受電用コイル
２２２ 第一受電側包含部
２２３第二受電側包含部
２３ 導体媒質
３ 電力伝送装置
３１ 送電部
３１１ 送電用コイル
３１２ 第一送電側包含部
３１３ 第二送電側包含部
３１４ 第三送電側包含部
３２ 受電部
３２１ 受電用コイル
３２２ 第一受電側包含部
３２３ 第二受電側包含部
３２４ 第三受電側包含部
３３ 導体媒質
４ 電力伝送装置
４１ 送電部
４１１、４２１ ヘリカルコイル
４１２、４２２ 内部誘電体
４１３、４２３ 外部誘電体
４１４、４２４ 被覆誘電体
４２ 受電部
４３ 海水
５ 電力伝送装置
５１ 送電部
５１１１、５２１１ スパイラルコイル
５１１２、５２１２ ループコイル
５１１３ 誘電体基板
５１１４ スパイラル配線
５１１５ 誘電体基板
５１１６ ループ配線
５１２、５２２ 内部誘電体
５１３、５２３ 外部誘電体
５１４、５２４ 被覆誘電体
５２ 受電部
５３ 海水
６ 電力伝送装置
６１ 送電部
６１１１、６１１２、６２１１、６２１２ スパイラルコイル
６１２ 第一送電側包含部
６１３ 第二送電側包含部
６１４ 第三送電側包含部
６１５ 送電側インピーダンス調整部
６２ 受電部
６２２ 第一受電側包含部
６２３ 第二受電側包含部
６２４ 第三受電側包含部
６２５ 受電側インピーダンス調整部
６３ 海水

Claims (10)

1. 導体媒質中において無線で電力伝送する電力伝送装置において、
   無線で電力を送信する送電部と、前記送電部から送信された電力を受信する受電部と、を備え、
   前記送電部及び前記受電部は、電力伝送用コイルと、前記電力伝送用コイルを覆う誘電体を有する包含部と、を備え、
   前記送電部と前記受電部の少なくとも一方は、各々のインピーダンスを可変にするインピーダンス調整部を備え、
   前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記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前記電力伝送を行い、
   前記送電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分（Ｃ１［ｐＦ］）と、前記受電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分（Ｃ２［ｐＦ］）と、前記送電部と前記受電部と前記導体媒質とで形成されるキャパシタンス成分（Ｃ３［ｐＦ］）と、前記送電部と前記受電部との間隔（ｄ［ｃｍ］）とが、３０＞Ｃ３・ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５の関係を満たすことを特徴とする、電力伝送装置。
2. 導体媒質中において無線で電力伝送する電力伝送装置において、
   無線で電力を送信する送電部と、前記送電部から送信された電力を受信する受電部と、を備え、
   前記送電部及び前記受電部は、電力伝送用コイルと、前記電力伝送用コイルを覆う誘電体を有する包含部と、を備え、
   前記送電部と前記受電部の少なくとも一方は、各々のインピーダンスを可変にするインピーダンス調整部を備え、
   前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記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前記電力伝送を行い、
   前記包含部の前記電力伝送用コイルの面に沿う方向の外径（ｄ１［ｃｍ］）と、前記電力伝送用コイルの外径（ｄ２［ｃｍ］）とが、ｄ１／ｄ２＞１．２の関係を満たすことを特徴とする、電力伝送装置。
3. 前記包含部の前記電力伝送用コイルの面に沿う方向の外径（ｄ１［ｃｍ］）と、前記電力伝送用コイルの外径（ｄ２［ｃｍ］）とが、ｄ１／ｄ２＞１．２の関係を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の電力伝送装置。
4. 導体媒質中において無線で電力伝送する電力伝送装置において、
   無線で電力を送信する送電部と、前記送電部から送信された電力を受信する受電部と、を備え、
   前記送電部及び前記受電部は、電力伝送用コイルと、前記電力伝送用コイルを覆う誘電体を有する包含部と、を備え、
   前記送電部と前記受電部の少なくとも一方は、各々のインピーダンスを可変にするインピーダンス調整部を備え、
   前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記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前記電力伝送を行い、
   前記包含部は、前記電力伝送用コイルを覆う第一誘電体を有する第一包含部と、前記第一包含部を覆う第二誘電体を有する第二包含部と、を備えることを特徴とする、電力伝送装置。
5. 前記包含部は、前記電力伝送用コイルを覆う第一誘電体を有する第一包含部と、前記第一包含部を覆う第二誘電体を有する第二包含部と、を備えることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一に記載の電力伝送装置。
6. 前記包含部は、前記第二包含部を覆う第三誘電体を有する被覆部を備えることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の電力伝送装置。
7. 前記第二誘電体は、前記導体媒質と比重が等しい誘電体からなることを特徴とする、請求項４から請求項６の何れか一に記載の電力伝送装置。
8. 前記第一誘電体の誘電正接は、前記第二誘電体の誘電正接よりも低い、もしくは、同一であることを特徴とする、請求項４から請求項７の何れか一に記載の電力伝送装置。
9. 前記第一誘電体の比誘電率は、前記第二誘電体の比誘電率よりも低い、もしくは、同一であることを特徴とする、請求項４から請求項８の何れか一に記載の電力伝送装置。
10. 導体媒質中において、各々が誘電体で覆われた電力伝送用コイルを備えた送電部と受電部とが、無線で電力伝送する電力伝送方法において、
    前記送電部が、無線で電力を送信し、
    前記受電部が、前記送信された電力を受信し、
    前記送電部と前記受電部の少なくとも一方のインピーダンス補償を行い、
    前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記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前記電力伝送を行い、
    前記送電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分（Ｃ１［ｐＦ］）と、前記受電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分（Ｃ２［ｐＦ］）と、前記送電部と前記受電部と前記導体媒質とで形成されるキャパシタンス成分（Ｃ３［ｐＦ］）と、前記送電部と前記受電部との間隔（ｄ［ｃｍ］）が、３０＞Ｃ３・ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５の関係を満たすことを特徴とする、電力伝送方法。

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