JP6590170B2 - 水中通信装置及び水中通信システム - Google Patents

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Description

本開示は、水中でデータを通信する水中通信装置及び水中通信システムに関する。
従来、水中（例えば海中）での通信では、超音波通信（音響通信）が用いられている。これは、音波が水中において伝送距離を確保することに有効であるためである。例えば、水上局と水中局との間で水中の多重反射による影響を少なくして音響通信を行う水中通信システムが知られている（特許文献１参照）。
特開２００５−３２８３１９号公報
しかし、海中で音響通信を用いた場合、データの伝送性能が低かった。海中の音速が１５００（ｍ／秒）程であるので、音響通信の通信速度は、電波の通信速度と比べ、２０万分の１程度である。また、通信帯域が狭く、データ伝送量は、８０ｋｂｐｓ程度と少ない。このように、音響通信では、伝送性能が低いので、データ量の大きなデータ（静止画や動画）を伝送することが困難である。例えば、海中においてカメラで撮像された映像を地上のモニタに映し出そうとしても、リアルタイムに映像データを送信することが困難である。
また、海中で電波通信や電流通信を用いた場合、海水では電磁波が吸収され、その減衰量が大きいので、電波の伝搬が困難である。例えば、海中通信で使用する周波数を１ｋＨｚ程度とすると、その減衰量が、真水中では０．７ｄＢ／ｍ、海水中では１．０ｄＢ／ｍ程度となる。一方、海中通信で使用する周波数を１００ＭＨｚ程度とすると、その減衰量が、真水中では２１７．６ｄＢ／ｍ、海水中では３２４．３ｄＢ／ｍ程度となる。つまり、伝送速度を上げようとする場合に周波数を高くすると、海中通信の伝送特性が低下する。
また、有線の通信ケーブルを水中において伸ばし、有線通信することも考えられるが、通信ケーブルを引き伸ばせる範囲に通信範囲が限定される。また、水中において光を用いて通信することも考えられるが、光を伝送媒体に用いる場合、水の濁りや障害物に伝送特性が大きな影響を受け、データ伝送することが困難である。また、光は直進性が強く、直進不可能である場所では光通信ができない。
本開示は、上述した従来の状況に鑑みてなされ、水中におけるデータの伝送効率を向上できる水中通信装置を提供することを目的とする。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水中におけるデータの伝送効率を向上できる水中通信装置及び水中通信システムを提供する。
本開示の一態様は、水中において、他の第１のコイル及び他の第２のコイルを有する他の水中通信装置との間でデータを通信する水中通信装置であって、磁界を介して前記他の第１のコイルとの間で前記データを伝送する第１のコイルと、磁界を介して前記他の第２のコイルとの間で前記データを伝送する第２のコイルと、前記第１のコイル及び前記第２のコイルに前記データを供給する供給部と、前記第１のコイルに接続され、前記第１のコイルと共に第１の共振周波数で共振する第１の共振回路を形成する第１のコンデンサと、前記第２のコイルに接続され、前記第２のコイルと共に前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振する第２の共振回路を形成する第２のコンデンサと、前記第１のコイルと前記他の第１のコイルとの間に配置された第３のコイルと、前記第２のコイルと前記他の第２のコイルとの間に配置された第４のコイルと、前記第３のコイルに接続されると共に、前記第３のコイルと共に共振する第３の共振回路を形成する第３のコンデンサと、前記第４のコイルに接続されると共に、前記第４のコイルと共に共振する第４の共振回路を形成する第４のコンデンサと、を備え、水中において、前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイル、前記第４のコイル、の順に配列され、前記第１の共振回路と前記第４の共振回路とは、共振周波数が同一であり、前記第２の共振回路と前記第３の共振回路とは、共振周波数が同一である、水中通信装置である。
本開示の一態様は、第１の水中通信装置と第２の水中通信装置との間でデータを通信する水中通信システムであって、前記第１の水中通信装置は、第１のコイルと、第２のコイルと、前記第１のコイル及び前記第２のコイルに前記データを供給する供給部と、前記第１のコイルに接続され、前記第１のコイルと共に第１の共振回路を形成する第１のコンデンサと、前記第２のコイルに接続され、前記第２のコイルと共に第２の共振回路を形成する第２のコンデンサと、を備え、前記第２の水中通信装置は、磁界を介して前記第２のコイルとの間で前記データを伝送する第３のコイルと、磁界を介して前記第１のコイルとの間で前記データを伝送する第４のコイルと、前記第３のコイルに接続され、前記第３のコイルと共に第３の共振回路を形成する第３のコンデンサと、前記第４のコイルに接続され、前記第４のコイルと共に第４の共振回路を形成する第４のコンデンサと、を備え、水中において、前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイル、前記第４のコイル、の順に配列され、前記第１の共振回路と前記第２の共振回路とは、共振周波数が異なり、前記第３の共振回路と前記第４の共振回路とは、共振周波数が異なり、前記第１の共振回路と前記第４の共振回路とは、共振周波数が同一であり、前記第２の共振回路と前記第３の共振回路とは、共振周波数が同一である、水中通信システムである。
本開示によれば、水中におけるデータの伝送効率を向上できる。
実施形態における水中通信システムの構成例の概略を示す図 水中通信システムのハードウェア構成を示すブロック図 ＰＬＣ（Power Line Communication）アダプタのハードウェア構成を示す図 第１通信部及び第２通信部の構成例を示す図 第１通信部及び第２通信部の等価回路を示す図 ＰＬＣアダプタによる伝送量と減衰量との関係を示すグラフ 第１コイル結合体及び第２コイル結合体の伝送特性を示すグラフ ＰＬＣアダプタを同軸ケーブルで接続した場合における、ＣＩＮＲの周波数変化を示すグラフ 塩水中１ｃｍ離して第１コイル結合体及び第２コイル結合体を配置した場合における、ＣＩＮＲの周波数変化を示すグラフ 塩水中２０ｃｍ離して第１コイル結合体及び第２コイル結合体を配置した場合における、ＣＩＮＲの周波数変化を示すグラフ コイル間距離に対する伝送レートの変化を示すグラフ 中継コイルとして、第３コイル結合体を介在させた場合の第１通信部、第２通信部及び第３通信部の構成例を示す図 電力伝送システムが置かれる環境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。
図１は、実施形態における水中通信システム５の構成例の概略を示す図である。この水中通信システム５は、水中通信の性能を試験するための実験機として使用され得る。図２は、水中通信システム５のハードウェア構成を示すブロック図である。
水中通信システム５は、双方向に通信可能な第１通信装置１１０及び第２通信装置１２０を含む。第１通信装置１１０は、第１コイル結合体２３、コンデンサＣｒ１，Ｃｒ２（図４参照）、ＰＬＣ（Power Line Communication）アダプタ２１、ＤＣＤＣコンバータ２５、バッテリ２６、プロセッサ２７、及びカメラ２８を有する。第２通信装置１２０は、第２コイル結合体４３、コンデンサＣｒ３，Ｃｒ４（図４参照）、ＰＬＣアダプタ４１、及び計測用ＰＣ（personal computer）４５を有する。第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３は、それぞれ、複数のコイルを有する。
第１通信装置１１０は、防水容器１６０に収容される。防水容器１６０は、内部に水が侵入しないように密閉される開閉自在な容器でよい。また、防水容器１６０は、電波を通しやすい樹脂（例えばアクリル）で成形される。防水容器１６０は、水中（例えば海中）に配置される。図１では、防水容器１６０は、水槽１５０に配置されている。防水容器１６０は、水槽１５０の枠体に固定されたパイプ１７０に、支持部材１６５を介して懸架される。支持部材１６５は、パイプ１７０の長手方向に移動自在である。防水容器１６０は、水槽１５０に貯留する水中に没するように配置されてよい。水槽１５０には、水の代わりに、海水や塩水が貯留されてもよい。なお、図１、図２では、コンデンサＣｒ１，Ｃｒ２は、図示省略されているが、防水容器１６０の内部に配置される。防水容器１６０は、例えば耐圧構造を有してよい。
なお、第１コイル結合体２３の各コイルは、防水容器１６０の外部に配置されてもよい。この場合、第１コイル結合体２３の各コイルは、水槽１５０内の水と接触するので、被覆されている。また、第１コイル結合体２３は、防水容器１６０の外部において、防水性を有する管に内包されてもよい。また、コンデンサＣｒ１，Ｃｒ２は、防水対策が施されて水槽１５０内に配置されてもよい。
第２通信装置１２０では、第２コイル結合体４３は、水槽１５０の枠体に固定されたパイプ１７０に、支持部材１２５を介して懸架される。支持部材１２５は、パイプ１７０の長手方向に移動自在である。第２コイル結合体４３は、水槽１５０に貯留する水中に没するように、かつ、第１通信装置１１０の第１コイル結合体２３と対向するように配置される。第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３とが対向するように配置されるとは、第１コイル結合体２３に含まれる各コイルが定義する面（コイル面）が、第２コイル結合体４３に含まれる各コイルが定義する面（コイル面）と平行となるように配置されることを指してよい。
防水容器１６０又は第２コイル結合体４３をパイプ１７０の長手方向が移動することで、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３との間隔であるコイル間距離Ｌが任意の長さに変更され得る。パイプ１７０の長手方向への防水容器１６０又は第２コイル結合体４３の移動は、例えばプロセッサ２７や計測用ＰＣ４５により指示されてもよいし、その他の制御装置により指示されてもよい。
第２コイル結合体４３の各コイルは、水槽１５０内の水と接触する場合、被覆されている。また、第２コイル結合体４３は、防水容器に収容されたり防水性を有する管に内包されたりしてもよい。
図１、図２では、コンデンサＣｒ３，Ｃｒ４は、図示省略されているが、水槽１５０の外部で、第２コイル結合体４３とＰＬＣアダプタ４１との間に配置される。つまり、コンデンサＣｒ３，Ｃｒ４を空気の中に置くことで、これらの絶縁性を簡易に担保できる。また、コンデンサＣｒ３，Ｃｒ４は、防水対策が施されて水槽１５０内に配置されてもよい。
図１、図２では、第１通信装置１１０は、防水容器１６０に収容されて水槽１５０の中で水中に没するように配置され、第２通信装置１２０は、第２コイル結合体４３を除き、水槽１５０の外部に配置されたが、これと逆でもよい。つまり、第２通信装置１２０は、防水容器１６０に収容されて水槽１５０の中で水中に没するように配置され、第１通信装置１１０は、第１コイル結合体２３を除き、水槽１５０の外部に配置されてもよい。
第１通信装置１１０では、第１コイル結合体２３は、コイルＬｒ１とコイルＬｒ２とが、それぞれのコイル面が重なるように（平行となるように）成形される。コンデンサＣｒ１は、コイルＬｒ１と直列に接続されてよく、コイルＬｒ１と共に共振回路１１１Ａ（図４参照）を形成する。コンデンサＣｒ２は、コイルＬｒ２と直列に接続されてよく、コイルＬｒ２と共に共振回路１１１Ｂ（図４参照）を形成する。
ＤＣＤＣコンバータ２５は、バッテリ２６から直流電圧（例えば５Ｖ）を入力し、直流電圧の電圧値を変換し、変換された直流電圧（例えば１２Ｖ）をＰＬＣアダプタ２１に出力する。
プロセッサ２７は、第１通信装置１１０が備えるメモリに保持されたプログラムを実行し、各種機能を実現する。プロセッサ２７は、第１通信装置の各部を制御する。プロセッサ２７は、例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）で接続されたカメラ２８を制御し、カメラ２８で撮像された画像データをＰＬＣアダプタ２１に送出する。
ＰＬＣアダプタ２１は、ＤＣＤＣコンバータ２５からの直流電圧１２Ｖを電源として、第１コイル結合体２３に給電する。ＰＬＣアダプタ２１は、プロセッサ２７から入力したデータ（例えば画像データ）をデジタル信号処理し、処理後のデジタルデータを、第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３を介して第２通信装置１２０に送信する。ＰＬＣアダプタ２１は、第２通信装置１２０から第２コイル結合体４３及び第１コイル結合体２３を介して受信したデジタルデータをデジタル信号処理し、処理後のデジタルテータをプロセッサ２７に送出する。ＰＬＣアダプタ２１は、電力線通信（ＰＬＣ）方式に従ったデータを生成し、生成されたデータを第１コイル結合体２３に供給する。
第２通信装置１２０では、第２コイル結合体４３は、コイルＬｒ３とコイルＬｒ４とが、それぞれのコイル面が重なるように（平行となるように）成形される。コンデンサＣｒ３は、コイルＬｒ３と直列に接続されてよく、コイルＬｒ３と共に共振回路１２１Ａ（図４参照）を形成する。コンデンサＣｒ４は、コイルＬｒ４と直列に接続されてよく、コイルＬｒ４と共に共振回路１２１Ｂ（図４参照）を形成する。
ＰＬＣアダプタ４１は、計測用ＰＣ４５から入力したデータ（例えば制御データ）をデジタル信号処理し、処理後のデジタルデータを、第２コイル結合体４３及び第１コイル結合体２３を介して第１通信装置１１０に送信する。ＰＬＣアダプタ４１は、第１通信装置１１０から第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３を介して受信したデジタルデータをデジタル信号処理し、処理後のデジタルテータを計測用ＰＣ４５に送出する。ＰＬＣアダプタ４１は、電力線通信（ＰＬＣ）方式に従ったデータを生成し、生成されたデータを第２コイル結合体４３に供給する。
計測用ＰＣ４５は、一般的なＰＣのハードウェア構成を有してよく、制御部、通信部、記憶部、操作部、表示部、等を有してよい。計測用ＰＣ４５の制御部は、第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３を用いた水中通信に関して各種計測を行う。また、計測用ＰＣ４５の制御部は、第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３を介して受信した第１通信装置１１０からのデータ（例えば画像データ）を入力し、この画像データを基に各種の処理を行う。制御部は、例えばプロセッサがプログラムを実行することで、各種機能を実現する。
図３は、ＰＬＣアダプタ２１、４１のハードウェア構成例を示す図である。ＰＬＣアダプタ２１、４１は、同一のハードウェア構成を有するので、ここでは、ＰＬＣアダプタ２１を用いて説明する。
ＰＬＣアダプタ２１は、直交周波数分割多重方式（ＯＤＦＭ：orthogonal frequency-division multiplexing）でデジタル信号処理を行って通信する。ＰＬＣアダプタ２１は、制御部２１０及びＡＦＥ２１４を有する。制御部２１０は、ＣＰＵ２１１、ＰＬＣ＿ＰＨＹブロック２１２、及びＰＬＣ＿ＭＡＣブロック２１３を含む。
ＣＰＵ２１１は、メモリ２３５に記憶されたデータを利用し、ＰＬＣ＿ＭＡＣブロック２１３及びＰＬＣ＿ＰＨＹブロック２１２の動作を制御し、ＰＬＣアダプタ２１の各部を制御する。
ＰＬＣ＿ＰＨＹブロック２１２は、送信信号及び受信信号のＰＨＹ層（Physical layer）を管理する。ＰＬＣ＿ＭＡＣブロック２１３は、送信信号及び受信信号のＭＡＣ層（Media Access Control layer）を管理する。
ＡＦＥ２１４は、ＤＡ変換器、ＡＤ変換器、及び可変増幅器（いずれも不図示）を有してよい。ＡＦＥ２１４は、ＤＡ変換器でデジタル信号をアナログ信号に変換して送信してよい。ＡＦＥ２１４は、受信したアナログ信号を可変増幅器でゲイン調整を行い、ＡＤ変換器でデジタル信号に変換してよい。
また、ＰＬＣアダプタ２１は、イーサネット（登録商標）ＭＡＣブロック２１６、ＳＤＲＡＭコントローラ２１９、フラッシュメモリインターフェース（Ｉ／Ｆ）２１８、ＧＰＩＯ（General-purpose input/output）２２２、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）２２３、及びクロックＩＣ（ＣＬＫ）２２１を有する。
イーサネット（登録商標）ＭＡＣブロック２１６には、イーサネット（登録商標）ＰＨＹブロック２１７が接続される。イーサネット（登録商標）ＭＡＣブロック２１６は、送信信号及び受信信号のＭＡＣ層を管理する。イーサネット（登録商標）ＰＨＹブロック２１７は、送信信号及び受信信号のＰＨＹ層を管理する。イーサネット（登録商標）ＰＨＹブロック２１７には、例えば、プロセッサ２７や計測用ＰＣ４５が接続される。
ＳＤＲＡＭコントローラ２１９は、ＳＤＲＡＭ２３２に対する読み出し動作及び書き込み動作を制御する。フラッシュメモリインターフェース２１８は、フラッシュメモリ２３１に対する読み出し動作及び書き込み動作を制御する。ＳＤＲＡＭ２３２及びフラッシュメモリ２３１は、メモリ２３５の一部でよい。また、メモリ２３５は、これ以外のメモリであってもよい。
ＧＰＩＯ２２２は、汎用入出力インターフェースである。ＵＡＲＴ２２３は、入力されたデータに対し、シリアルパラレル変換またはパラレルシリアル変換を行って出力する。クロックＩＣ２２１は、振動子（ＯＳＣ：Oscillator）２２０が発振する信号に同期したクロックを各部に供給する。
制御部２１０は、例えばデータ通信のための基本的な制御や変復調を含む信号処理を行う。制御部２１０は、イーサネット（登録商標）ＰＨＹブロック２１７を介してプロセッサ２７から受信したデータを変調し、送信データとしてＡＦＥ２１４に出力する。また、制御部２１０は、ＡＦＥ２１４を介して第１コイル結合体２３から入力された信号を、受信信号として復調し、イーサネット（登録商標）ＰＨＹブロック２１７を介してプロセッサ２７に出力する。
ＰＬＣアダプタ２１による通信は、次のような手順で行われる。送信の場合、プロセッサ２７から入力されたデータは、イーサネット（登録商標）ＰＨＹブロック２１７を介して制御部２１０に送られる。制御部２１０では、入力データに対しデジタル信号処理が施され、デジタル信号が生成される。生成されたデジタル信号は、ＡＦＥ２１４によってアナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号は、第１コイル結合体２３に出力される。デジタル信号処理では、ＯＤＦＭによる変調が行われる。
一方、受信の場合、第１コイル結合体２３から受信した信号は、ＡＦＥ２１４により、ゲイン調整された後、デジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号は、制御部２１０に送られる。制御部２１０では、デジタル信号処理が施され、デジタル信号は、デジタルデータに変換される。変換されたデジタルデータは、イーサネット（登録商標）ＰＨＹブロック２１７を介してプロセッサ２７に伝送される。
図４は、第１通信部１１１及び第２通信部１２１の構成例を示す図である。第１通信部１１１は、第１コイル結合体２３、コンデンサＣｒ１，Ｃｒ２、及びＰＬＣアダプタ２１を含む。第２通信部１２１は、第２コイル結合体４３、コンデンサＣｒ３，Ｃｒ４、及びＰＬＣアダプタ４１を含む。
第１コイル結合体２３は、１対のコイルＬｒ１とコイルＬｒ２とをデータ伝送方向に多段化し、磁気的に結合して成形される。データ伝送方向は、コイルＬｒ１及びコイルＬｒ２のコイル面と垂直な方向である。
コイルＬｒ１と直列にコンデンサＣｒ１が接続される。コイルＬｒ１とコンデンサＣｒ１は、共振回路１１１Ａを形成する。この共振回路１１１Ａの共振周波数ｆ１は、コイルＬｒ１のインダクタンスＬ１とコンデンサＣｒ１のキャパシタンスＣ１を用いて、１／２π（Ｌ１・Ｃ１）１／２で表される。
また、コイルＬｒ２と直列にコンデンサＣｒ２が接続される。コイルＬｒ２とコンデンサＣｒ２は、共振回路１１１Ｂを形成する。この共振回路１１１Ｂの共振周波数ｆ２は、コイルＬｒ２のインダクタンスＬ２とコンデンサＣｒ２のキャパシタンスＣ２を用いて、１／２π（Ｌ２・Ｃ２）１／２で表される。共振周波数ｆ１と共振周波数ｆ２とが互いに異なる値にされることで、第１コイル結合体２３が通信に用いる周波数帯域を広帯域化できる（図７等参照）。つまり、第１通信装置１１０は、第１コイル結合体２３により、広帯域なアンテナを実現できる。
同様に、第２コイル結合体４３は、１対のコイルＬｒ３とコイルＬｒ４をデータ伝送方向に多段化し、磁気的に結合して成形される。データ伝送方向は、コイルＬｒ３及びコイルＬｒ４のコイル面と垂直な方向である。
コイルＬｒ３と直列にコンデンサＣｒ４が接続される。コイルＬｒ３とコンデンサＣｒ３は、共振回路１２１Ａを形成する。この共振回路１２１Ａの共振周波数ｆ３は、コイルＬｒ３のインダクタンスＬ３とコンデンサＣｒ３のキャパシタンスＣ３を用いて、１／２π（Ｌ３・Ｃ３）１／２で表される。
また、コイルＬｒ４と直列にコンデンサＣｒ４が接続される。コイルＬｒ４とコンデンサＣｒ４は、共振回路１２１Ｂを形成する。この共振回路１２１Ｂの共振周波数ｆ４は、コイルＬｒ４のインダクタンスＬ４とコンデンサＣｒ４のキャパシタンスＣ４を用いて、１／２π（Ｌ４・Ｃ４）１／２で表される。共振周波数ｆ３と共振周波数ｆ４とが互いに異なる値にされることで、第２コイル結合体４３が通信に用いる周波数帯域を広帯域化できる（図７参照）。つまり、第２通信装置１２０は、第２コイル結合体４３により、広帯域なアンテナを実現できる。
図４では、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３とでは、コイルＬｒ２とコイルＬｒ３とが対向している。つまり、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３の各コイルは、Ｌｒ１、Ｌｒ２、Ｌｒ３、Ｌｒ４、の順に並んでいる。
コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ２の巻回方向とは、同じ方向でも逆方向でもよい。同様に、コイルＬｒ３の巻回方向とコイルＬｒ４の巻回方向とは、同じ方向でも逆方向でもよい。コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ２の巻回方向が逆方向である場合、コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ４の巻回方向とが同じ方向とされ、コイルＬｒ２の巻回方向とコイルＬｒ３の巻回方向とが同じ方向とされてよい。つまり、４つのコイルのうち、内側に配列された２つのコイルＬｒ２，Ｌｒ３と、外側に配列された２つのコイルＬｒ１，Ｌｒ４とが、同じ方向に巻回されてよい。
コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ２の巻回方向とが逆方向とされることで、水中通信システム５は、コイルＬｒ１とコイルＬｒ２に流れる相互の電流の向きが逆になって伝送特性が変わるので、例えば後述する伝送特性を表すＳ２１パラメータの値が２つの共振周波数に基づく帯域でなだらかになる。よって、周波数帯域における特性の急激な変化が緩和され、広帯域が必要な通信技術を用いることができる。
また、対向する第１コイル結合体２３のコイルＬｒ２と第２コイル結合体４３のコイルＬｒ３とが同じ向き（同一の巻回方向）に巻回されることで、水中通信システム５は、共振により磁界を介して伝送される信号の極性が揃えることができ、伝送特性を向上できる。
また、コイルＬｒ１，Ｌｒ２，Ｌｒ３，Ｌｒ４の巻き数（例えば５ターン）は、それぞれ同じでも異なってもよい。また、コイルＬｒ１，Ｌｒ２，Ｌｒ３，Ｌｒ４のサイズ（例えばコイルの直径や線径）は、それぞれ同じであっても異なってもよい。なお、コイルの巻き数が大きい程、又はコイルの直径や線径が長い程、磁界により発生するエネルギーが大きくなり、長距離伝送可能となり得る。
図５は、第１通信部１１１及び第２通信部１２１の等価回路の一例を示す図である。図５では、第１通信部１１１及び第２通信部１２１は、それぞれ同一の特性（パラメータ）を有してよい。
前述したように、第１コイル結合体２３のコイルＬｒ１とコンデンサＣｒ１は、共振回路１１１Ａを形成する。また、第１コイル結合体２３のコイルＬｒ２とコンデンサＣｒ２は、共振回路１１１Ｂを形成する。各共振回路１１１Ａ，１１１Ｂの共振周波数ｆ１，ｆ２は、それぞれコンデンサＣｒ１，Ｃｒ２の容量値（キャパシタンス）を可変することで調整されてよい。この場合、コイルＬｒ１，Ｌｒ２のインダクタンスを変更する必要がないので、水中に配置されたコイルを交換することを不要として、共振周波数ｆ１，ｆ２を調整できる。なお、共振周波数ｆ１，ｆ２は、コイルＬｒ１，Ｌｒ２のインダクタンスを可変することで調整されてもよい。
同様に、第２コイル結合体４３のコイルＬｒ３とコンデンサＣｒ３は、共振回路１２１Ａを形成する。また、第２コイル結合体４３のコイルＬｒ４とコンデンサＣｒ４は、共振回路１２１Ｂを形成する。各共振回路１２１Ａ，１２１Ｂの共振周波数ｆ３，ｆ４は、それぞれコンデンサＣｒ３，Ｃｒ４の容量値（キャパシタンス）を可変することで調整される。なお、共振周波数ｆ１，ｆ２は、コイルＬｒ３，Ｌｒ４のインダクタンスを可変することで調整されてもよい。
第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３とは、結合係数ｋで磁気的に結合される。また、コイルＬｒ１とコイルＬｒ２は、図５において正の極性を表す黒点に示すように、逆向きに巻かれている。同様に、コイルＬｒ３とコイルＬｒ４は、逆向きに巻かれている。また、コイルＬｒ１及びコイルＬｒ４と、コイルＬｒ２及びコイルＬｒ３とは、前述したように、同じ向きに巻かれている。
なお、ここでは、各コイル結合体が、それぞれ２つのコイルを結合させたものであることを例示したが、３つ以上のコイルを結合させたものであってもよい。また、第１コイル結合体２３を形成するコイルの数と第２コイル結合体を形成するコイルの数は、同じ数（例えば２つ）でも異なる数でもよい。これにより、第１通信部１１１と第２通信部１２１の伝送特性が様々な用途に合わせて調整され得る。
次に、第１通信装置１１０から第２通信装置１２０へのデータ伝送について説明する。
共振回路１１１Ａ，１１１Ｂでは、第１通信装置１１０の送信コイルとしてのコイルＬｒ１，Ｌｒ２に電流が流れるとコイルＬｒ１，Ｌｒ２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としてのコイルＬｒ３，Ｌｒ４を含む共振回路１２１Ａ，１２１Ｂに伝達される。コイルＬｒ１，Ｌｒ２に流れる電流は、電力線通信方式に従った信号（ＰＬＣ信号とも称する）を含む。
コイルＬｒ３，Ｌｒ４を含む共振回路１２１Ａでは、コイルＬｒ１，Ｌｒ２の磁場の振動により、受電コイルとしてのコイルＬｒ３，Ｌｒ４に交流電流が誘起される。この交流電流は、第１通信装置１１０からのＰＬＣ信号を含む。このように、第１通信装置１１０から第２通信装置１２０へ例えばＰＬＣ信号が伝送される。
図６は、ＰＬＣアダプタ２１、４１による伝送量と減衰量との関係の一例を示すグラフである。図６は、ＰＬＣアダプタ２１を含む第１通信部１１１、及びＰＬＣアダプタ４１を含む第２通信部１２１による通信性能を調べるために、測定した伝送特性の結果を示す。なお、図６の伝送特性は、水中ではなく空気中で得られた特性である。
図６の計測では、ＰＬＣアダプタ２１，４１間で共振回路１１１Ａ，１１１Ｂ，１２１Ａ，１２１Ｂを取り外し、２つのＰＬＣアダプタ２１，４１間に減衰器を入れて、ＰＬＣアダプタ２１，４１間の減衰量を変えた場合の伝送特性である。このグラフにより共振回路１１１Ｂ，１２１Ｂ間の減衰量が分かれば、ＰＬＣアダプタ２１，４１間の伝送速度を知ることができる。
図６のグラフの縦軸は、ＭＡＣ（Media Access Control）の伝送レート（ＭＡＣレート）［Ｍｂｐｓ］を表す。横軸は、減衰量（Attenuation）[ｄＢ]を表す。図６では、計測用ＰＣ４５の制御部が、伝送路（例えば空中）における減衰量を調整しながら、ＭＡＣレートを計測した。つまり、計測用ＰＣ４５は、減衰器（アッテネータ）としての機能を有してよい。
図６では、ＭＡＣレートは、減衰量が４０ｄＢ以下の範囲まで約１００Ｍｂｐｓと高く、その後、減衰量の増加と共に下降する。減衰量が５０ｄＢの場合でもＭＡＣレートが約９５Ｍｂｐｓ程度と高い。なお、減衰量が大きい環境とは、例えば電力線や水中のように様々な信号やノイズが混在するような通信環境が考えられる。なお、電力線通信方式を用いた通信の規格では、５０ｄＢ以下の減衰量とすることが要求されている。図６では、減衰量が５０ｄＢ以下の範囲ではＭＡＣレートが約９５Ｍｂｐｓ以上となり、高いＭＡＣレートを実現できる。つまり、減衰量が５０ｄＢ以下の範囲では、高いＭＡＣレートで電力線通信可能である。
図７は、第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３の伝送特性の一例を示すグラフである。
図７の伝送特性の計測に用いられた第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３は、同一の特性（パラメータ）を有するように成形される。図７のグラフでは、図５に示した等価回路で示される構成を用いて計測された計測結果が示されている。図７の計測では、計測用ＰＣ４５により、計測用ＰＣ４５にＰＬＣアダプタ４１を介して接続された第２コイル結合体４３を用いてデータ伝送した伝送特性が計測される。
なお、ここでは、例えば、コイルＬｒ１〜Ｌｒ４のインダクタンス及びコンデンサＣｒ１〜Ｃｒ４のキャパシタンスは、Ｌｒ１＝Ｌｒ４＝２μＨ、Ｃｒ１＝Ｃｒ４＝１２６ｐＦ、Ｌｒ２＝Ｌｒ３＝１μＨ、Ｃｒ２＝Ｃｒ３＝１５．８ｐＦである。このときの共振周波数ｆ１、ｆ２は、それぞれ１０ＭＨｚ、４０ＭＨｚである。また、例えば、コイルＬｒ１〜Ｌｒ４のインダクタンス及びコンデンサＣｒ１〜Ｃｒ４のキャパシタンスは、Ｌｒ１＝Ｌｒ４＝１μＨ、Ｃｒ１＝Ｃｒ４＝５．８ｐＦ、Ｌｒ２＝Ｌｒ３＝２μＨ、Ｃｒ２＝Ｃｒ３＝１２６ｐＦである。このときの共振周波数ｆ１、ｆ２は、それぞれ４０ＭＨｚ、１０ＭＨｚである。例えば、コイル結合体に含まれる各コイルの直径は、およそ１２ｃｍである。例えば、コイル間距離Ｌは、およそ１２ｃｍである。このとき、コイルＬｒ１とコイルＬｒ２の間及びコイルＬｒ３とコイルＬｒ４の間の結合係数ｋ１２＝ｋ３４＝０．７であり、コイルＬｒ１とコイルＬｒ４の間及びコイルＬｒ２とコイルＬｒ３の間の結合係数ｋ１４＝ｋ２３＝０．０５であり、コイルＬｒ１とコイルＬｒ３の間及びコイルＬｒ２とコイルＬｒ４の間の結合係数はｋ１３＝ｋ２４＝０．０１である。例えば、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３とは、塩水中に配置されて計測されており、その塩水の濃度は４％である。
図７のグラフの縦軸は、伝達関数に用いられるＳ２１パラメータ［ｄＢ］である。横軸は、周波数［ＭＨｚ］である。Ｓ２１パラメータは、伝送特性（減衰・位相特性）を表し、値が大きい程、電波が通り易くなる。図７では、計測用ＰＣ４５の制御部が、データ伝送に係る周波数を変更しながら、Ｓ２１パラメータの値を計測した。なお、縦軸のＳ２１パラメータは、図６に示した減衰量と符号が異なっているが、両者は同様の減衰特性を示している。
第２通信部１２１では、共振回路１２１Ａの共振周波数ｆ３は、前述のように１０ＭＨｚ及び４０ＭＨｚのいずれか一方であり、共振回路１２１Ｂの共振周波数ｆ４は、前述のように１０ＭＨｚ及び４０ＭＨｚのいずれか他方である。図７では、各共振回路（例えば共振回路１１１Ａ，１１１Ｂ，１２１Ａ，１２１Ｂ）がそれぞれ磁気的に結合することで、３ＭＨｚ近傍及び２８ＭＨｚ近傍の２箇所に、Ｓ２１パラメータのピークが出現している。なお、各共振回路がそれぞれ磁気的に結合することで、Ｓ２１パラメータのピーク部分が急峻となることが抑制され、比較的滑らかな特性となっている。
図７に示すＳ２１パラメータの値は、２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数帯域において、いずれの周波数においても−５０ｄＢ以上である。Ｓ２１パラメータが−５０ｄＢ以上の値の範囲は、前述したように、図６における減衰量が５０ｄＢ以下の値の範囲に対応し、電力線通信の規格において要求される値である。２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの周波数帯域は、電力線通信のために確保することが要求される帯域である。したがって、水中通信システム５は、第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３を用いることで、伝送特性が比較的高い状態をおよそ２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの広帯域において実現でき、電力線通信で要求される伝送特性を満足できる。
なお、従来の音響通信の場合、使用可能周波数帯域は、例えば１ＭＨｚ程度である。したがって、本実施形態の水中通信システム５によれば、使用可能な周波数帯域が少なくとも２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚを含んでおり、格段に伝送特性が向上していることが理解できる。
次に、伝送効率を表す指標である、搬送波レベル対干渉・雑音比（ＣＩＮＲ：Carrier to Interference and Noise Ratio）について説明する。ＣＩＮＲの値が大きい程、伝送効率が高い。
図８Ａは、ＰＬＣアダプタ２１、４１を同軸ケーブルで接続した場合における、ＣＩＮＲの周波数変化の一例を示すグラフである。グラフの縦軸はＣＩＮＲの値［ｄＢ］を表す。横軸は周波数［ＭＨｚ］を表す。この場合、ＰＬＣアダプタ２１とＰＬＣアダプタ４１との間に、第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３は介在しない。ＰＬＣアダプタが使用する周波数帯域に含まれる３ＭＨｚ〜２８ＭＨｚの帯域では、ＣＩＮＲの値が一様に大きく、伝送特性が均一である。つまり、図８Ａでは、ＰＬＣアダプタ２１とＰＬＣアダプタ４１との間に信号が減衰する要因がほとんどなく、ＰＬＣ信号を伝送する際の理想的な伝送特性が得られる。
図８Ｂは、塩水中において１ｃｍ離して第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３が配置された場合における、ＣＩＮＲの周波数変化の一例を示すグラフである。図８Ｂでは、２３ＭＨｚ付近では、ＣＩＮＲの値が落ち込んでいるが、この周波数付近を除く、３ＭＨｚ〜２８ＭＨｚの帯域では、ＣＩＮＲの値が比較的大きく、概ね良好な伝送特性が得られる。
図８Ｃは、塩水中において２０ｃｍ離して第１コイル結合体２３及び第２コイル結合体４３を配置した場合における、ＣＩＮＲの周波数変化の一例を示すグラフである。図８Ｃでは、２０ＭＨｚ〜２５ＭＨｚの帯域では、ＣＩＮＲの値が小さいが、この帯域を除く、３ＭＨｚ〜２８ＭＨｚの帯域（特に、１３ＭＨｚ以下の帯域）では、ＣＩＮＲの値が比較的大きく、概ね良好な伝送特性が得られる。なお、１３ＭＨｚ以上の領域では、ＣＩＮＲの特性改善の余地がある。
次に、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３との距離（コイル間距離Ｌ）と伝送レート（例えばＭＡＣレート）との関係について説明する。
図９は、コイル間距離Ｌに対する伝送レートの変化例を示すグラフである。グラフの縦軸は伝送レート［Ｍｂｐｓ］を表す。横軸はコイル間距離［ｃｍ］を表す。図９では、計測用ＰＣ４５の制御部が、第２コイル結合体４３に対する第１コイル結合体２３の距離（つまりコイル間距離Ｌ）を変更しながら、ＴＣＰ（Transmission Control Protocol）プロトコルに従った通信時の伝送レートを計測した。図９では、空中及び塩水中において、第１通信装置１１０と第２通信装置１２０との通信（送信、受信）時の伝送レートを測定した。
グラフｇ１１は、塩水中において、第１通信装置１１０から第２通信装置１２０にデータを送信する場合を示す。グラフｇ１２は、塩水中において、第２通信装置１２０から第１通信装置１１０にデータを送信する場合を示す。
グラフｇ１１，ｇ１２に示すように、塩水中では、伝送レートは、コイル間距離Ｌが長くなると、急激に下がる。図９では、伝送レートは、コイル間距離Ｌが約２０ｃｍ位まで離れても、数Ｍｂｐｓ以上で確保されるが、コイル間距離が約２０ｃｍ超えると急激に下がる。したがって、コイル間距離Ｌが約２０ｃｍ位までの範囲であると、伝送レートが数Ｍｂｐｓと確保されるので、画像データ等、伝送量の比較的多いデータ（例えば静止画や動画の画像データ）の通信が可能である。
グラフｇ１３は、空中において、第１通信装置１１０から第２通信装置１２０にデータを送信する場合を示す。グラフｇ１４は、空中において、第２通信装置１２０から第１通信装置１１０にデータを送信する場合を示す。グラフｇ１３，ｇ１４に示すように、空中では、コイル間距離が４０ｃｍ付近でも、伝送レートは、１０Ｍｂｐｓ以上で確保される。
なお、従来、ＰＬＣを用いて海中でデータ伝送する場合の伝送距離は、１０ｍｍ程度であった。この伝送距離１０ｍｍと比較すると、水中通信システム５では、コイル間距離Ｌに相当する伝送距離が２０ｃｍ程度を達成しており、従来と比較して飛躍的に伝送距離が延びていることが理解できる。
（中継コイルを含む構成例）
図１〜図５に示した構成例では、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３とを磁界を介して直接に（２段に）結合させる場合を示したが、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３との間に、第３コイル結合体６３を中継コイルとして設け、３段以上に結合させてもよい。
図１０は、中継コイルとして、第３コイル結合体６３を介在させた場合の第１通信部１１１、第２通信部１２１及び第３通信部１３１の構成例を示す図である。第３通信部１３１は、第３コイル結合体６３、コンデンサＣｒ５，Ｃｒ６を含む。第３通信部１３１は、図１０に示すように、ＰＬＣアダプタ６１を含んでもよいし、ＰＬＣアダプタ６１を含まなくてもよい。
なお、第３コイル結合体６３には、バッテリ等から電力が給電されてもよいし、給電されなくてもよい。つまり、第３コイル結合体６３は、例えばＰＬＣアダプタ６１によって給電されるリピータ（給電コイル）であってもよいし、給電されないブースタコイル（無給電コイル）であってもよい。つまりリピータはアクティブであり、ブースターコイルはパッシブである。
第３コイル結合体６３は、コイルＬｒ５とコイルＬｒ６とが、それぞれのコイル面が重なるように（平行となるように）成形される。コンデンサＣｒ５は、コイルＬｒ５と直列に接続されてよく、コイルＬｒ５と共に共振回路１３１Ａを形成する。コンデンサＣｒ６は、コイルＬｒ６と直列に接続されてよく、コイルＬｒ６と共に共振回路１３１Ｂを形成する。図１０に示すように、第３コイル結合体６３は、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３との間に介在する。
図１０では、第１コイル結合体２３と第３コイル結合体６３とでは、コイルＬｒ２とコイルＬｒ５とが対向している。第２コイル結合体４３と第３コイル結合体６３とでは、コイルＬｒ３とコイルＬｒ６とが対向している。つまり、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３と第３コイル結合体６３の各コイルは、Ｌｒ１、Ｌｒ２、Ｌｒ５、Ｌｒ６、Ｌｒ３、Ｌｒ４、の順に並んでいる。
コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ２の巻回方向とは、同じ方向でも逆方向でもよい。同様に、コイルＬｒ３の巻回方向とコイルＬｒ４の巻回方向とは、同じ方向でも逆方向でもよい。同様に、コイルＬｒ５の巻回方向とコイルＬｒ６の巻回方向とは、同じ方向でも逆方向でもよい。
コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ２の巻回方向が逆方向である場合、コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ６の巻回方向とコイルＬｒ３の巻回方向とが同じ方向とされ、コイルＬｒ２の巻回方向とコイルＬｒ５の巻回方向とコイルＬｒ４の巻回方向とが同じ方向とされてよい。つまり、６つのコイルのうち、隣り合うコイル結合体の内側同士のコイルと外側同士のコイルとが、同じ方向に巻回されてよい。この場合、共振回路１１１Ａ，１３１Ｂ，１２１Ａの共振周波数ｆ１，ｆ６，ｆ３が同じとされ、共振回路１１１Ｂ，１３１Ａ，１２１Ｂの共振周波数ｆ２，ｆ５，ｆ４が同じとされてよい。
なお、コイルＬｒ５，Ｌｒ６等の中継コイルは、データ伝送方向に多段に配置され、複数段で中継を行ってもよい。また、コイルＬｒ５，Ｌｒ６等の中継コイルは、第１通信装置１１０に含まれてもよいし、第２通信装置１２０に含まれてもよいし、水中通信システム５において第１通信装置１１０及び第２通信装置１２０から独立して設けられてもよい。
次に、第１通信装置１１０から中継コイルを介した第２通信装置１２０へのデータ伝送について説明する。
共振回路１１１Ａ，１１１Ｂでは、第１通信装置１１０の送信コイルとしてのコイルＬｒ１，Ｌｒ２に電流が流れるとコイルＬｒ１，Ｌｒ２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としてのコイルＬｒ５，Ｌｒ６を含む共振回路１３１Ａ，１３１Ｂに伝達される。コイルＬｒ１，Ｌｒ２に流れる電流は、ＰＬＣ信号を含む。
コイルＬｒ５，Ｌｒ６を含む共振回路１３１Ａ，１３１Ｂでは、磁場の振動によりコイルＬｒ５，Ｌｒ６に電流が励起され、電流が流れ、コイルＬｒ５，Ｌｒ６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を含む共振回路又はコイルＬｒ３，Ｌｒ４を含む共振回路１２１Ａ，１２１Ｂに伝達される。
共振回路１２１Ａでは、コイルＬｒ５，Ｌｒ６等の中継コイルの磁場の振動により、受電コイルとしてのコイルＬｒ３，Ｌｒ４に交流電流が誘起される。この交流電流は、第１通信装置１１０からのＰＬＣ信号を含む。このように、第１通信装置１１０から第２通信装置１２０へ例えばＰＬＣ信号が伝送される。
以上のように、本実施形態における水中通信システム５では、第１通信装置１１０は、海水中（水中の一例）において、第２コイル結合体４３を有する第２通信装置１２０（他の水中通信装置の一例）との間でデータを通信する。第２コイル結合体４３は、コイルＬｒ３（他の第１のコイルの一例）及びコイルＬｒ４（他の第２のコイルの一例）を含む。第１通信装置１１０は、磁界を介して第２コイル結合体４３との間でデータを伝送する第１コイル結合体２３を有する。第１コイル結合体２３は、コイルＬｒ１（第１のコイルの一例）及びコイルＬｒ２（第２のコイルの一例）を含む。第１通信装置１１０は、コイルＬｒ１及びコイルＬｒ２にデータを供給するＰＬＣアダプタ２１の制御部２１０（供給部の一例）を有する。第１通信装置１１０は、コイルＬｒ１に接続され、コイルＬｒ１と共に共振する共振周波数ｆ１（第１の共振周波数の一例）で共振する共振回路１１１Ａ（第１の共振回路の一例）を形成するコンデンサＣｒ１（第１のコンデンサの一例）を備える。第１通信装置１１０は、コイルＬｒ２に接続され、コイルＬｒ２と共に共振周波数ｆ２（第２共振周波数）で共振する共振回路１１１Ｂ（第２の共振回路の一例）を形成するコンデンサＣｒ２（第２のコンデンサの一例）と、を備える。
これにより、第１通信装置１１０は、２つの共振周波数ｆ１，ｆ２が異なる共振回路１１１Ａ，１１１Ｂの特性が結合されて、複数のピークを有する伝送特性を得ることができる。また、コイルＬｒ１とコイルＬｒ２が発生させる磁界が結合することにより、伝送特性のピークが滑らかになり、２つの共振周波数の間で伝送特性が平滑化される。よって、広い周波数帯域における特性の急激な変化が抑えられ、伝送特性が平準化される。したがって、第１通信装置１１０は、データ伝送に用いる周波数帯域を広帯域化できる。第１通信装置１１０は、広帯域化することで、広帯域が必要な通信（例えば電力線通信）を用いることができ、水中におけるデータの伝送性能を向上できる。
また、コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ２の巻回方向とが逆方向でよい。
これにより、コイルＬｒ１とコイルＬｒ２に流れる相互の電流の向きが逆になって伝送特性が変化し、コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ２の巻回方向とが同じ方向である場合と比較して、伝送特性の変化が一層滑らかになる。よって、第１通信装置１１０は、広帯域の周波数帯域における特性の変化を一層平滑化でき、広帯域を用いたデータ通信を安定化できる。
また、第１通信装置１１０は、第３通信部１３１を備えてよい。第３通信部１３１は、第１コイル結合体２３と第２コイル結合体４３との間に介在する第３コイル結合体６３を有してよい。第３コイル結合体６３は、コイルＬｒ１とコイルＬｒ３との間に配置されたコイルＬｒ５（第３のコイルの一例）と、コイルＬｒ２とコイルＬｒ４との間に配置されたコイルＬｒ６（第４のコイルの一例）とを含んでよい。第３通信部１３１は、コイルＬｒ５に接続されると共に、コイルＬｒ５と共に共振する共振回路１３１Ａ（第３の共振回路の一例）を形成するコンデンサＣｒ５（第３のコンデンサの一例）と、コイルＬｒ６に接続されると共に、コイルＬｒ６と共に共振する共振回路１３１Ｂ（第４の共振回路の一例）を形成するコンデンサＣｒ６（第４のコンデンサの一例）と、を備えてよい。共振回路１１１Ａの共振周波数ｆ１と共振回路１３１Ｂの共振周波数ｆ６とは、同一でよい。共振回路１１１Ｂの共振周波数ｆ２と共振回路１３１Ａの共振周波数ｆ５とは、同一でよい。
これにより、第１コイル結合体２３は、第１コイル結合体２３が発生する磁界と第３コイル結合体６３が発生する磁界とが結合することで、第３コイル結合体６３との間で磁気共鳴方式によりデータを伝送できる。また、第３コイル結合体６３は、他の中継コイルのコイル結合体や受信コイルとしてのコイルＬｒ３，Ｌｒ４を含む第２コイル結合体４３との間で、磁気共鳴方式によりデータ伝送できる。よって、第２コイル結合体４３は、データ伝送を中継でき、水中通信の通信距離を延ばすことができる。
また、コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ６の巻回方向とが同一方向でよい。コイルＬｒ２の巻回方向とコイルＬｒ５の巻回方向とが同一方向でよい。
これにより、コイルＬｒ１とコイルＬｒ６に流れる相互の電流の向きが同じになり、磁界結合の力が大きくなり、コイルＬｒ１の巻回方向とコイルＬｒ６の巻回方向とが逆方向である場合と比較して、データ伝送の信号レベルが大きくなる。同様に、コイルＬｒ２とコイルＬｒ５に流れる相互の電流の向きが同じになり、磁界結合の力が大きくなり、コイルＬｒ２の巻回方向とコイルＬｒ５の巻回方向とが逆方向である場合と比較して、データ伝送の信号レベルが大きくなる。よって、第１通信装置１１０は、例えば送信コイルとしてのＬｒ１，Ｌｒ２から中継コイルとしてのコイルＬｒ５，Ｌｒ６へ伝送されるデータの信号減衰を小さくでき、水中における信号レベルの低下を抑制しながら、水中通信の通信距離を伸ばすことができる。
また、コイルＬｒ５及びコイルＬｒ６は、電力が供給される給電コイルでよい。
これにより、第１通信装置１１０では、第３コイル結合体６３が第１コイル結合体２３から受信したデータを、より高い信号レベルにして、第２通信装置１２０の第２コイル結合体４３へ転送できる。つまり、第１通信装置１１０は、第３コイル結合体６３による受信レベルが低い場合でも、送信レベルを高くしてデータを転送でき、データ中継の度に信号レベルが減衰し、水中通信における通信精度が低下することを抑制できる。
また、第３コイル結合体６３は、電力が供給されない無給電コイルでもよい。
これにより、第１通信装置１１０は、第３コイル結合体６３に含まれるコイルＬｒ５，Ｌｒ６が給電されない場合でも、磁場による電流の励起を基に、受信したデータを転送できる。したがって、第１通信装置１１０は、コイルＬｒ５，Ｌｒ６のための電源確保が困難な場所や状況であっても、データ通信の中継を実現できる。
また、データは、画像データを含んでよい。画像データは、静止画や動画を含んでよい。
これにより、第１通信装置１１０は、広帯域に確保された通信帯域を利用して、水中において画像データを伝送できる。
また、データは、電力線通信の通信方式に従って生成されたデータを含んでよい。
これにより、第１通信装置１１０は、データ伝送に用いる周波数帯域を広帯域化できるので、例えば３ＭＨｚ〜２８ＭＨｚの周波数帯域を使用する電力線通信を用いて、水中におけるデータの伝送性能を向上できる。つまり、第１通信装置１１０は、既存の電力線通信技術を適用して、水中通信できる。
また、コイルＬｒ１及びコイルＬｒ２は、水面と略直交する方向にデータを伝送してよい。
これにより、例えば水上や水面近くに所在する第１通信装置１１０と、水中や水底に所在する第２通信装置１２０との間で、データ通信できる。
また、本実施形態の水中通信システム５は、第１通信装置１１０（第１の水中通信装置の一例と第２通信装置１２０（第２の水中通信装置の一例）との間でデータを通信する。第１通信装置１１０は、コイルＬｒ１，Ｌｒ２と、コイルＬｒ１，Ｌｒ２にデータを供給するＰＬＣアダプタ２１の制御部２１０と、コイルＬｒ１に接続され、コイルＬｒ１と共に共振回路１１１Ａを形成するコンデンサＣｒ１と、コイルＬｒ２に接続され、コイルＬｒ２と共に共振回路１１１Ｂを形成するコンデンサＣｒ２と、を備える。第２通信装置１２０は、磁界を介してコイルＬｒ２との間でデータを伝送するコイルＬｒ３（第３のコイルの一例）と、磁界を介してコイルＬｒ１との間でデータを伝送するコイルＬｒ４と、コイルＬｒ３に接続され、コイルＬｒ３と共に共振回路１２１Ａ（第３の共振回路の一例）を形成するコンデンサＣｒ３（第３のコンデンサの一例）と、コイルＬｒ４に接続され、コイルＬｒ４と共に共振回路１２１Ｂ（第４の共振回路の一例）を形成するコンデンサＣｒ４（第４のコンデンサの一例）と、を備える。水中において、コイルＬｒ１、コイルＬｒ２、コイルＬｒ３、コイルＬＲ３、の順に配列される。共振回路１１１Ａと共振回路１１１Ｂとは、共振周波数が異なる。共振回路１２１Ａと共振回路１２１Ｂとは、共振周波数が異なる。共振回路１１１Ａと共振回路１２１Ｂとは、共振周波数が同一である。共振回路１１１Ｂと共振回路１２１Ａとは、共振周波数が同一である、
これにより、水中通信システム５では、第１通信装置１１０は、２つの共振周波数ｆ１，ｆ２が異なる共振回路１１１Ａ，１１１Ｂの特性が結合されて、複数のピークを有する伝送特性を得ることができる。また、コイルＬｒ１とコイルＬｒ２が発生させる磁界が結合することにより、伝送特性のピークが滑らかになり、２つの共振周波数の間で伝送特性が平滑化される。よって、広い周波数帯域における特性の急激な変化が抑えられ、伝送特性が平準化される。したがって、第１通信装置１１０は、データ伝送に用いる周波数帯域を広帯域化できる。第１通信装置１１０は、広帯域化することで、広帯域が必要な通信（例えば電力線通信）を用いることができ、水中におけるデータの伝送性能を向上できる。
また、第１通信装置１１０及び第２通信装置１２０において、４つのコイルＬｒ１〜Ｌｒ４のうちの外側同士のコイルＬｒ１，Ｌｒ４及び内側同士のコイルＬｒ２，Ｌｒ３が同一の共振周波数により共振することで、共振回路１１１Ａと共振回路１２１Ｂとの磁気共鳴の共鳴力が増し、共振回路１１１Ｂと共振回路１２１Ａとの磁気共鳴の共鳴力が増し水中における信号の減衰が低減する。よって、第１通信装置１１０及び第２通信装置１２０による水中通信における伝送距離を伸ばすことができる。例えば水中通信システム５ｄでは、例えばコイル間距離Ｌを２０ｃｍ程度とすることができる。
（海中通信システムの応用例）
水中通信システム５の応用例として、海中通信システム１０１０について説明する。コイル結合体ＣＢ（例えば第１コイル結合体２３，第２コイル結合体４３，第３コイル結合体６３）を用いたデータ通信の伝送距離を長く確保できる場合、以下のような応用例が実現され得る。
図１１は、海中通信システム１０１０が置かれる環境の一例を示す模式図である。海中通信システム１０１０は、第１通信装置１１０及び第２通信装置１２０を備える。海中通信システム１０１０は、複数のコイル結合体ＣＢを備える。第１通信装置１１０は、第２通信装置１２０に対して、複数のコイル結合体ＣＢを介して、磁気共鳴方式に従ってワイヤレス（無接点）でデータ伝送する。配置されるコイル結合体ＣＢの数は、ｎ個であり、任意である。
コイル結合体ＣＢの各コイルは、例えば、環状に形成され、樹脂のカバーで被覆されて絶縁されている。コイル結合体ＣＢの各コイルは、例えば、ヘリカルコイルやスパイラルコイルである。また、コイル結合体ＣＢの各コイルは、例えばキャプタイヤケーブルで形成される。コイル結合体ＣＢの各コイルは、データを送信する場合には一次コイル（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｃｏｉｌ）として動作し、データを受信する場合には二次コイル（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｃｏｉｌ）として動作し、データを中継する場合にはリピータやブースターコイルとして動作する。コイル結合体ＣＢ同志は、略平行に配置され、例えば各コイルの開口面の半分以上が重なるよう配置されてよい。
コイル結合体ＣＢ以外の第１通信装置１１０の構成部は、船舶１０５０に設置されてよい。コイル結合体ＣＢ以外の第２通信装置１２０の構成部は、移動可能な水中航走体１０６０（例えば潜水艇１０７０や水底掘削機１０８０）や固定的に設置される第２通信装置（例えば地震計、監視カメラ、地熱発電機）に設置されてよい。各コイル結合体ＣＢは、水中（例えば海中）に配置される。
潜水艇１０７０は、例えば、遠隔操作無人探査機（ＲＯＶ：Ｒｅｍｏｔｅｌｙ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、無人潜水艇（ＵＵＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、又は自立型無人潜水機（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）を含んでもよい。
船舶１０５０の一部は、水面１０９０（例えば海面）より上部つまり水上に存在し、船舶１０５０の他の一部は、水面１０９０よりも下部つまり水中に存在する。船舶１０５０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１０５０に設置された第１コイル結合体２３以外の第１通信装置１１０の構成部と第１コイル結合体２３との間は、電線１０２０により接続されてよい。電線１０２０は、水上のコネクタ（不図示）を介して、例えば第１通信装置１１０内のＰＬＣアダプタ２１と接続されてよい。
水中航走体１０６０は、水中又は水底１０９５（例えば海底）に存在し、水中又は水底１０９５を航走する。水中航走体１０６０は、例えば、水上の船舶１０５０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１０５０からの指示は、例えばコイル結合体ＣＢを介した通信により伝送されてよい。
各コイル結合体ＣＢは、連結体１０３０と接続され、例えば等間隔に配置される。尚、データ伝送に用いる伝送周波数が低周波であるほど、電力伝送距離が長くなり、コイル間距離Ｌを長くできる。伝送周波数は、コイル結合体ＣＢの各コイルのインダクタンス、コイル結合体ＣＢの各コイルの直径、コイル結合体ＣＢの各コイルの巻き数等のコイル特性に基づき定まる。また、コイル結合体ＣＢの各コイルの太さが太い程、つまりコイル結合体ＣＢの各コイルの線径が大きい程、コイル結合体ＣＢ各コイルでの電気抵抗が減り、電力損失が小さくなる。
図１１では、連結体１０３０の数が３つであるが、これに限られない。連結体１０３０における水底側の端部には、錘１０４０が接続される。連結体１０３０における水面側の端部には、ブイ（Ｂｕｏｙ）１０４５が接続される。
錘１０４０により、連結体１０３０の移動を規制でき、連結体１０３０に固定された各各コイル結合体ＣＢ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１０４０により各コイル結合体ＣＢの移動が規制されるので、海中通信システム１０１０は、各コイル結合体ＣＢを用いたデータ伝送の効率が低下することを抑制できる。
また、連結体１０３０において、水底側の端部に錘１０４０が接続され、水面側の端部にブイ１０４５が接続されることで、錘１０４０が水底側、ブイ１０４５が水面側となり、連結体１０３０が水面１０９０と略垂直となる姿勢を維持できる。よって、各コイル結合体ＣＢの各コイルにより定義される面は、水面１０９０と略平行となり、磁界共鳴方式によって水深方向（水面と略直交する方向）に電力伝送できる。
尚、錘１０４０は、連結体１０３０の運搬時には連結体１０３０から取り外され、連結体１０３０の運搬が終了し、所定の位置に設置される際に、連結体１０３０に錘１０４０が取り付けられてもよい。これにより、連結体１０３０の運搬が容易になる。
尚、海中通信システム１０１０では、各コイルが動作するためのバッテリを備えてもよいし、各コイルが動作するためのバッテリを備えなくてもよい。各コイルが動作するためのバッテリを備えない場合、例えば水中に配置された複数のコイル結合体ＣＢのうち、１つのコイル結合体ＣＢ（例えば第１コイル結合体２３）に対して給電され、磁界共鳴方式に従って電力伝送されてよい。
つまり、海中通信システム１０１０と海中給電システムとを１つのシステムで実現できる。これにより、海中通信システム１０１０は、水中通信と水中給電とで構成部品の一部を共用することができ、部品点数を削減できる。また、海中や海底にいる水中航走体１０６０は、バッテリを使用することなく、第２通信装置１２０の第２コイル結合体４３等のコイルで受電した電力を使用できる。なお、データ伝送用のコイルと電力伝送用のコイルとは、同じコイルであっても異なるコイルであってもよい。
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
上記実施形態では、水として海水を主に例示したが、海水以外の水（例えば淡水）であってよい。したがって、第１通信装置１１０及び第２通信装置１２０は、海水以外の水中（例えば河川、湖、ダムにおける水中）において通信してもよい。
上記実施形態では、広帯域が必要な通信として電力線通信を例示したが、広帯域且つ周波数が比較的低い帯域（例えば数ＭＨｚ〜４０ＭＨｚ）を用いる通信方式であれば、上記実施形態を適用可能である。
上記実施形態では、プロセッサ（例えばＣＰＵ）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、上記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。また、複数のプロセッサが１つのプロセッサで構成されてもよい。
上記各実施形態は、組み合わされてもよい。
本開示は、水中におけるデータの伝送効率を向上できる水中通信装置等に有用である。
５ 水中通信システム
２１，４１，６１ ＰＬＣアダプタ
２３ 第１コイル結合体
２５ ＤＣＤＣコンバータ
２６ バッテリ
２７ プロセッサ
２８ カメラ
４３ 第２コイル結合体
４５ 計測用ＰＣ
６３ 第３コイル結合体
１１０ 第１通信装置
１１１ 第１通信部
１１１Ａ，１１１Ｂ，１２１Ａ，１２１Ｂ，１３１Ａ，１３１Ｂ 共振回路
１２０ 第２通信装置
１２１ 第２通信部
１２５，１６５ 支持部材
１５０ 水槽
１６０ 防水容器
１７０ パイプ
１９０ デスク
２１０ 制御部
２１１ ＣＰＵ
２１２ ＰＬＣ＿ＰＨＹブロック
２１３ ＰＬＣ＿ＭＡＣブロック
２１４ ＡＦＥ
２１６ イーサネット（登録商標）ＭＡＣブロック
２１７ イーサネット（登録商標）ＰＨＹブロック
２１８ フラッシュメモリＩ／Ｆ
２１９ ＳＤＲＡＭコントローラ
２２０ 振動子
２２１ クロックＩＣ
２２２ ＧＰＩＯ
２２３ ＵＡＲＴ
２３１ フラッシュメモリ
２３２ ＳＤＲＡＭ
１０１０ 海中通信システム
１０２０ 電線
１０３０ 連結体
１０４０ 錘
１０４５ ブイ
１０５０ 船舶
１０６０ 水中航走体
１０７０ 潜水艇
１０８０ 水底掘削機
１０９０ 水面
１０９５ 水底
Ｌ コイル間距離

Claims (8)

  1. 水中において、他の第１のコイル及び他の第２のコイルを有する他の水中通信装置との間でデータを通信する水中通信装置であって、
    磁界を介して前記他の第１のコイルとの間で前記データを伝送する第１のコイルと、
    磁界を介して前記他の第２のコイルとの間で前記データを伝送する第２のコイルと、
    前記第１のコイル及び前記第２のコイルに前記データを供給する供給部と、
    前記第１のコイルに接続され、前記第１のコイルと共に第１の共振周波数で共振する第１の共振回路を形成する第１のコンデンサと、
    前記第２のコイルに接続され、前記第２のコイルと共に前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振する第２の共振回路を形成する第２のコンデンサと、
    前記第１のコイルと前記他の第１のコイルとの間に配置された第３のコイルと、
    前記第２のコイルと前記他の第２のコイルとの間に配置された第４のコイルと、
    前記第３のコイルに接続されると共に、前記第３のコイルと共に共振する第３の共振回路を形成する第３のコンデンサと、
    前記第４のコイルに接続されると共に、前記第４のコイルと共に共振する第４の共振回路を形成する第４のコンデンサと、を備え、
    水中において、前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイル、前記第４のコイル、の順に配列され、
    前記第１の共振回路と前記第４の共振回路とは、共振周波数が同一であり、
    前記第２の共振回路と前記第３の共振回路とは、共振周波数が同一である、
    水中通信装置。
  2. 前記第１のコイルの巻回方向と前記第２のコイルの巻回方向とが逆方向であり、
    前記第１のコイルの巻回方向と前記第４のコイルの巻回方向とが同一方向であり、
    前記第２のコイルの巻回方向と前記第３のコイルの巻回方向とが同一方向である、
    請求項１に記載の水中通信装置。
  3. 前記第３のコイル及び前記第４のコイルは、電力が供給される給電コイルである、
    請求項１または２記載の水中通信装置。
  4. 前記第３のコイル及び前記第４のコイルは、電力が供給されない無給電コイルである、
    請求項１または２に記載の水中通信装置。
  5. 前記データは、画像データを含む、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の水中通信装置。
  6. 前記データは、電力線通信の通信方式に従って生成されたデータを含む、
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の水中通信装置。
  7. 前記第１のコイル及び前記第２のコイルは、水面と略直交する方向に前記データを伝送する、
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の水中通信装置。
  8. 第１の水中通信装置と第２の水中通信装置との間でデータを通信する水中通信システムであって、
    前記第１の水中通信装置は、
    第１のコイルと、
    第２のコイルと、
    前記第１のコイル及び前記第２のコイルに前記データを供給する供給部と、
    前記第１のコイルに接続され、前記第１のコイルと共に第１の共振回路を形成する第１のコンデンサと、
    前記第２のコイルに接続され、前記第２のコイルと共に第２の共振回路を形成する第２のコンデンサと、
    を備え、
    前記第２の水中通信装置は、
    磁界を介して前記第２のコイルとの間で前記データを伝送する第３のコイルと、
    磁界を介して前記第１のコイルとの間で前記データを伝送する第４のコイルと、
    前記第３のコイルに接続され、前記第３のコイルと共に第３の共振回路を形成する第３のコンデンサと、
    前記第４のコイルに接続され、前記第４のコイルと共に第４の共振回路を形成する第４のコンデンサと、
    を備え、
    水中において、前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイル、前記第４のコイル、の順に配列され、
    前記第１の共振回路と前記第２の共振回路とは、共振周波数が異なり、
    前記第３の共振回路と前記第４の共振回路とは、共振周波数が異なり、
    前記第１の共振回路と前記第４の共振回路とは、共振周波数が同一であり、
    前記第２の共振回路と前記第３の共振回路とは、共振周波数が同一である、
    水中通信システム。
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