JP6717381B2 - 無線給電装置及び無線給電方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線給電装置及び無線給電方法に関する。

海水等の媒質中においてエネルギーを無線で送る技術が、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。これらの技術において、エネルギーを送受電する送電アンテナと受電アンテナは、導線を複数巻きしたコイルからなる。この送電アンテナのコイルに交流電力を印加することで、このコイルを鎖交する磁界が発生する。この磁界が、受電アンテナのコイルと鎖交することで受電アンテナのコイルに誘導電流が生じ、電力供給が行われる。

しかしながら、これらの技術においては、送電アンテナと受電アンテナとの間の距離を２ｃｍ程度しか離すことができなかった。そのため、海中で駆動する移動体やセンサに対して、送電アンテナの位置精度あわせを高精度にしなければならず、また、アンテナ上への生物付着が起こった場合に所望の給電特性を得ることが難しく、安定的に電力を供給することが困難であった。

仮に、送電アンテナと受電アンテナを５ｃｍ以上離間して給電することができれば、海中で駆動する移動体の位置合わせ精度や、生物付着に対する制約が大幅に軽減される。

上記の関連技術に関して、海水中で十分な電力供給効率が得られなかった要因を詳細に検討した結果、海水が空気等の媒質に比べて高い導電率を有しており、海水中を磁界や電界（電磁界）が通過する際に、渦電流や拡散電流が生じ、損失が発生するためであることが分かった。ここで、空気の導電率は０、比誘電率は約１であり、一方、海水の導電率は約４Ｓ／ｍである。

さらに前述のように高い導電率を持つ海水中を通過する電磁界の損失を低減させる方法について検討を行った結果、海水中を通過する電磁界の減衰は、下記式（１）に記載の式に比例して発生することが分かった。

ここでｄは送電アンテナと受電アンテナの距離、ｆは周波数、μは海水の透磁率、σは海水の電気伝導率である。

図８は、この式（１）を用いて、周波数と海水中で電磁界が進行した場合の減衰率との関係を示したグラフである。

図８より明らかなように、例えば海水中で５ｃｍ以上送電アンテナと受電アンテナが離間した場合に十分な伝送効率を得るためには、１００ＫＨｚ未満の低周波で動作するアンテナが必要である。しかしながら、アンテナの動作周波数とアンテナのサイズにはトレードオフ関係があり、これまで、海水中の移動体やセンサのサイズに適合する小型、かつ、海水中で５ｃｍ以上送電アンテナと受電アンテナが離間していた場合であっても数１０％以上の現実的な給電効率での給電は困難であった。

この問題点を解決する技術が例えば特許文献３に開示されている。特許文献３に開示される電力伝送装置は、送電アンテナから発せられた磁界を受電アンテナにカップリングさせ、アンテナ間に存在する媒質のインピーダンスで決まる共振インピーダンスにおいて共振させることで、海水等の導電性媒質中であっても高効率に電力伝送を行う。

特開２００２−３０５１２１号公報 特表２０１０−５２３０３０号公報 国際公開第２０１４／０３４４９１号

特許文献３に開示されているようなループアンテナは、そのループ長に関係なく、高周波を入力することで時間変動する誘導磁界を生じ、媒質中に磁界を放出することが可能である。一方で、ループアンテナの物理長は、一般的には入力される高周波の波長に対して短く（０．１波長未満）、ループアンテナ内部で入力された高周波が定在波を生じることは無い。ループアンテナ内部では、定在波を生じないために、電圧が極大値を取らないことから、入力インピーダンス、すなわち、入力端から見たループアンテナの内部インピーダンスは小さくなる。

またこの入力インピーダンスは、空気のインピーダンス（３７７Ω）や海水のインピーダンス（５０Ω）に対して低い値を取る。媒質とアンテナ入力端とのインピーダンス不整合が生じると、その端面において電力反射が生じ、伝送効率が低下する。

このインピーダンス不整合を解消するために、例えばマッチング回路と呼ばれるコンデンサ及びインダクタ等を活用した回路が提案されているが、専用回路の設計が必要となり、また、例えば１００ＫＨｚ未満の低周波帯においては、その回路サイズが大型化するという別の問題が発生する。

本発明の目的は、媒質中で磁界アンテナを電力伝送に用いた場合であっても、簡便にインピーダンスマッチングが可能な無線給電装置を提供することにある。

本発明の無線給電装置は、媒質中でエネルギーを無線で送る送電アンテナのインピーダンスと前記送電アンテナから送られたエネルギーを受けとる受電アンテナのインピーダンスと前記媒質のインピーダンスで決まる周波数で共振してエネルギーを無線で送る無線給電装置であって、前記送電アンテナおよび前記受電アンテナは、複数のアンテナ用コイルと、前記複数のアンテナ用コイル間に配置された少なくとも１つの誘電体を有する複数の共振アンテナ部を有し、前記複数の共振アンテナ部のうち少なくとも一つは、負荷を調整する負荷調整機構を備える。

また本発明の無線給電方法は、媒質中でエネルギーを無線で送る送電アンテナと、前記送電アンテナから送られたエネルギーを受けとる受電アンテナとが、複数のアンテナ用コイルと前記複数アンテナ用コイル間に配置された少なくとも１つの誘電体を有する複数の共振アンテナ部を包含し、前記複数の共振アンテナ部のうち少なくとも１つの負荷を調整し、前記送電アンテナのインピーダンスと前記受電アンテナのインピーダンスと前記媒質のインピーダンスで決まる周波数で共振してエネルギーを無線で送る。

本発明によれば、媒質中で磁界アンテナを電力伝送に用いた場合であっても、簡便にインピーダンスマッチングが可能となる。

図１は、第１の実施形態による無線給電装置の構成を示す図である。 図２は、無線電力が図１の共振アンテナ部１０５１から共振アンテナ部１０５２へ伝搬する際の等価回路図である。 図３は、本発明の第２の実施形態による無線給電装置の構成を示す図である。 図４は本発明の第３の実施形態による無線給電装置の構成を示す図である。 図５は本発明の第４の実施形態による無線給電装置の構成を示す図である。 図６は、本発明を適用した適用例の概要を示す図である。 図７は、本発明に係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。 図８は、周波数と海水中で電磁界が進行した場合の減衰率との関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態による無線給電装置を、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、良導体媒質は海水であることを前提として説明するが、本発明はこれに限定されない。図７は、本発明に係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。本発明に係る良導体媒質は、図７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。
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態による無線給電装置を、図面を参照して説明する。図１は第一実施形態による無線給電装置の構成を示す図である。

図１に示すように海中無線給電装置１０１は、送電アンテナ１０３及び受電アンテナ１０４を備えている。また、送電アンテナ１０３及び受電アンテナ１０４は、海水などの良導体媒質１０２に覆われている。送電アンテナ１０３は、媒質中でエネルギーを無線で送る。受電アンテナ１０４は、送電アンテナから送られたエネルギーを受けとる。海中無線給電装置１０１は、送電アンテナ１０３のインピーダンスと受電アンテナ１０４のインピーダンスと良導体媒質１０２のインピーダンスで決まる周波数で共振してエネルギーを無線で送る。なお以下、エネルギーを無線で送る動作を電力伝送動作ともいう。

送電アンテナ１０３は、共振アンテナ部１０５１、１０５２を備えている。また、受電アンテナ１０４は、送電アンテナ１０３と同じく、共振アンテナ部１０５３、１０５４を備えている。

共振アンテナ部１０５１から１０５４は、それぞれ２つ以上のアンテナ用コイル１０６１と、少なくとも１つの誘電体１０７１と、を備えている。アンテナ用コイル１０６１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。各共振アンテナ部に配置されている２つ以上のアンテナ用コイル間のうち、少なくとも２つのアンテナ用コイル間は絶縁され、その２つのアンテナ用コイル間に誘電体１０７１が配置されている。

ここで、送電アンテナは、受電アンテナとしての機能を備えていてもよいし、受電アンテナは送電アンテナとしての機能を備えていてもよい。また、送電アンテナと受電アンテナが、同一の構成であってもよい。

誘電体１０７１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。

負荷調整機構１０８１は、機械的、電気的、またはその他の方法で共振アンテナ部の負荷を調整し、入力インピーダンス、または、出力インピーダンスを調整する機構を有する。なお、本実施形態においては、各共振アンテナ部が負荷調整機構１０８１を有する形態として記述を行ったが、その限りではなく、一部の共振アンテナ部のみが負荷調整機構１０８１を有する形態であっても良い。また、本実施形態においては、負荷調整機構１０８１が共振アンテナ部の内部に設置されている形態として記述を行ったが、その限りではなく、負荷調整機構１０８１の一部、または、全部が共振アンテナ部の外部に設置されているような構成としても良い。

なお、本実施形態においては、例えば送電アンテナ１０３を構成する共振アンテナ部１０５１、共振アンテナ部１０５２は良導体媒質１０２を介して設置されているような構成として記述を行ったが、必ずしもその限りではない。共振アンテナ部１０５１、および、共振アンテナ部１０５２の一部、または、全部が良導体媒質１０２に接触する構成としても良い。また例えば、送電アンテナ１０３が、三つ以上の共振アンテナ部を備えていても良い。

また、本実施形態においては、各共振アンテナ部が正対しているものとして記述を行ったが、必ずしもその限りではなく、共振アンテナ部が正対していない形態、すなわち、特定軸に対してずれを生じていても良い。

次に、本実施形態による海中無線給電装置１０１の具体的な動作について順を追って説明する。

まず、送電アンテナ１０３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アンテナ１０３の入力端子である送電端から共振アンテナ部１０５１内部のアンテナ用コイル１０６１に供給される。送電アンテナ１０３を構成する共振アンテナ部１０５１内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部１０５１内部のアンテナ用コイル１０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質１０２）へと送出する。次に、共振アンテナ部１０５２は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部１０５２内部のアンテナ用コイル１０６１において送入する。

ここで、以上の電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に、共振アンテナ部１０５１、１０５２に備えられた負荷調整機構１０８１は、共振アンテナ部１０５１、１０５２のインピーダンスを調整する。この調整により良導体媒質１０２と共振アンテナ部１０５１、１０５２とのインピーダンスが整合し、また、共振アンテナ部１０５１、共振アンテナ部１０５２、良導体媒質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なる。

同様に、共振アンテナ部１０５２内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部１０５２内部のアンテナ用コイル１０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質１０２）へと送出する。そして、受電アンテナ１０４を構成する共振アンテナ部１０５３は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部１０５３内部のアンテナ用コイル１０６１において送入する。ここでも、電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に、共振アンテナ部１０５２、１０５３に備えられた負荷調整機構１０８１は、共振アンテナ部１０５２、１０５３のインピーダンスを調整する。この調整により、良導体媒質１０２と共振アンテナ部１０５２、１０５３とのインピーダンスが整合し、また共振アンテナ部１０５２、共振アンテナ部１０５３、良導体媒質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なる。

さらに同様に、共振アンテナ部１０５３内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部１０５３内部のアンテナ用コイル１０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質１０２）へと送出する。そして、共振アンテナ部１０５４は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部１０５４内部のアンテナ用コイル１０６１において送入する。ここでも同様に電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に、共振アンテナ部１０５３、１０５４に備えられた負荷調整機構１０８１は、共振アンテナ部１０５３、共振アンテナ部１０５４の負荷を調整する。この調整により良導体媒質１０２と共振アンテナ部１０５３、１０５４とのインピーダンスが整合し、また、共振アンテナ部１０５３、共振アンテナ部１０５４、良導体媒質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なる。

最後に共振アンテナ部１０５４のアンテナ用コイル１０６１に送入された電力は、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。

なお電力伝送動作中に海水中を通過する電磁界は、送電アンテナ１０３内部のアンテナ用コイルの共振作用、および、受電アンテナ１０４内部のアンテナ用コイルの共振作用により決まる送電周波数に対して、式（１）で決まる損失を生じる。

以上、説明したように第一実施形態によれば、送電アンテナ、および、受電アンテナが４つ以上のアンテナ用コイルを有しており、各々のアンテナ用コイルの共振作用により送電周波数が決定され、かつ、アンテナ用コイル端のいずれか、または、全部におけるインピーダンス調整機構が具備されている。このような構成から、海水中で磁界アンテナを電力伝送に用いた場合であっても、簡便に海水とのインピーダンスマッチングが可能となり、結果として高い電力伝送効率を得ることが可能となる。

ここで、共振アンテナ部１０５１から送出された無線電力が共振アンテナ部１０５２へと伝搬する際の等価回路を図２に示す。図２は、無線電力が共振アンテナ部１０５１から共振アンテナ部１０５２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。

図２で示すように、送電アンテナ１０３、または、受電アンテナ１０４は、４つのアンテナ用コイル１０６１で構成されており、それぞれのアンテナ用コイル１０６１が磁気的結合を通じて共振する構造となっている。この時、図２の右側に示す負荷調整機構１０８１によるインピーダンスの調整結果は、図２の左側に示した送電アンテナ１０３の入力端子である送電端へと、磁気的結合を介して伝達され、送電端の見かけの入力インピーダンスを調整することとなる。別の言い方をすると、図２の左側に示した送電端における見かけの入力インピーダンスは、複数の磁気的結合を介した負荷調整機構１０８１によるインピーダンス変動に対応することとなる。

本実施形態によれば、前述の負荷調整機構１０８１の働きにより、図２の左側に示した送電端における見かけの入力インピーダンスを簡便に可変することができる。例えば、負荷調整機構１０８１に、無損失の５０Ωを接続することで、図２の左側に示した送電端の入力インピーダンスを５０Ωに近づけることができる。これは、磁気的結合が無損失の伝送路と等価であることから容易に想像できる。従って、良導体媒質１０２である海水のインピーダンスである約５０Ωに入力インピーダンスを近づけたい場合は、５０Ωを負荷調整機構１０８１に接続すればよい。また、空気のインピーダンスである約３７７Ωに近づけたい場合は、３７７Ωを負荷調整機構１０８１に接続すれば良い。

また、本実施形態によれば、アンテナ用コイル１０６１の巻き数やサイズを各アンテナ用コイル１０６１において非同一とすることでもインピーダンス調整が可能となる。よく知られているように、巻き数が異なるコイル、一般的にはトランスと呼ばれる構造に高周波を印可すると、電圧や電流が前述のコイルの巻き数比等に応じて可変となる。例えば、巻き数比が１：２のトランスの場合、電圧が２倍に変換されることが知られている。この原理に基づき、例えばアンテナ用コイルの巻き数を１：２にしておけば、これを透過する高周波の電圧は２倍となり、エネルギー保存の法則から、インピーダンスは４倍となる。

また、本実施形態によれば、共振アンテナ部１０５１から１０５４が正対していない形態、すなわち、特定軸に対してずれを生じている場合であっても、インピーダンス調整が可能となる。前述した通り、図２の左側に示した送電端における見かけの入力インピーダンスは、複数の磁気的結合を介した負荷調整機構１０８１によるインピーダンス変動に対応することとなる。共振アンテナ部１０５１から１０５４が正対していない形態、すなわち、特定軸に対してずれを生じている場合、各共振アンテナ部１０５１から１０５４の磁気的結合量が変動することと等価である。このことから、送電端における見かけの入力インピーダンスは、負荷調整機構１０８１によるインピーダンス調整結果に加えて、磁気的結合量の変動結果にも影響を受けることとなる。従って、以上の説明と同様に、入力インピーダンスの調整が可能となる。
＜第２実施形態＞
次に、第２の実施形態による無線給電装置を、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の第２の実施形態による海中無線給電装置の構成を示す図である。

図３に示すように本実施形態の海中無線給電装置２０１は、アンテナ用コイル２０６１が、多層化された半導体プロセスにより形成されたヘリカルコイル、スパイラルコイルなどで構成されており、各層が金属ビアなどで接続されている。その他の構成は、第１の実施形態と同様であり、海中無線給電装置２０１は、送電アンテナ２０３及び受電アンテナ２０４を備えている。また、送電アンテナ２０３及び受電アンテナ２０４は、例えば海水などの良導体媒質２０２に覆われている。送電アンテナ２０３は、共振アンテナ部２０５１、共振アンテナ部２０５２を備えている。また、受電アンテナ２０４は、送電アンテナ２０３と同じく、共振アンテナ部２０５３、共振アンテナ部２０５４を備えている。共振アンテナ部２０５１から２０５４は、２つ以上のアンテナ用コイル２０６１及び誘電体２０７１を備えている。また共振アンテナ部２０５１は、負荷調整機構２０８１を備えている。各共振アンテナ部に配置されている２つ以上のアンテナ用コイル間のうち、少なくとも２つのアンテナ用コイル間は絶縁している。

本実施形態においても、送電アンテナは、受電アンテナとしての機能を備えていてもよいし、受電アンテナは送電アンテナとしての機能を備えていてもよい。また、送電アンテナと受電アンテナが、同一の構成であってもよい。

誘電体２０７１は、第１の実施形態と同様であり、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。

負荷調整機構２０８１は、第１の実施形態と同様であり、機械的、電気的、またはその他の方法で共振アンテナ部２０５１の負荷を調整し、入力インピーダンス、または、出力インピーダンスを調整する機構を有する。なお、本実施形態においては、共振アンテナ部２０５１が負荷調整機構２０８１を有する形態として記述を行ったが、その限りではなく、各共振アンテナ部２０５１から２０５４がそれぞれ負荷調整機構２０８１を有する形態であっても良い。また、本実施形態においては、負荷調整機構２０８１が共振アンテナ部２０５１の内部に設置されている形態として記述を行ったが、その限りではなく、負荷調整機構２０８１の一部、または、全部が共振アンテナ部２０５１の外部に設置されているような構成としても良い。

なお、本実施形態においても、例えば送電アンテナ２０３を構成する共振アンテナ部２０５１、および、共振アンテナ部２０５２は海水を介して設置されているような構成として記述を行ったが、必ずしもその限りではなく、共振アンテナ部２０５１、および、共振アンテナ部２０５２の一部、または、全部が接触していても良い。また例えば、送電アンテナ２０３が、三つ以上の共振アンテナ部を備えていても良い。

また、本実施形態においても、各共振アンテナ部が正対しているものとして記述を行ったが、必ずしもその限りではなく、共振アンテナ部が正対していない形態、すなわち、特定軸に対してずれを生じていても良い。

なお、第２の実施形態による海中無線給電装置２０１の具体的な動作は上述の第１の実施形態の具体的な動作と同じである。

本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、送電アンテナ、および、受電アンテナを低コストかつ安定的に作製することが可能となる。送電アンテナおよび受電アンテナを構成するアンテナ用コイルは、例えば銅線等の材料で作成されるが、一般的な銅線材料を使用した場合、その平坦性や曲げ性が悪いため、不良を起こしやすい。多層配線とし、半導体プロセスを使用することで、低コストに、かつ、安定的に送電アンテナ、および、受電アンテナを作成することが可能となる。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態による無線給電装置を、図面を参照しながら説明する。図４は本発明の第３の実施形態による海中無線給電装置の構成を示す図である。

図４に示すように本実施形態の海中無線給電装置３０１は、送電アンテナ３０３が共振アンテナ部３０５１と共振アンテナ部３０５２間の距離を調整する機能を有する距離調整機構３０９１を備えている点で第１、第２の実施形態と異なる。距離調整機構３０９１は、具体的には、機械的、またはその他の機構を用いて共振アンテナ部３０５１と共振アンテナ部３０５２との距離を調整する。

なお、本実施形態においては、送電アンテナ３０３のみが距離調整機構３０９１を有する形態として記述を行ったが、その限りではなく、受電アンテナ３０４が共振アンテナ部３０５３と共振アンテナ部３０５４間の距離を調整する機能を有する距離調整機構３０９１を有する形態であっても良い。

その他の構成は、第１、第２の実施形態と同様であり、海中無線給電装置３０１は、送電アンテナ３０３及び受電アンテナ３０４を備えている。また、送電アンテナ３０３及び受電アンテナ３０４は、例えば海水などの良導体媒質３０２に覆われている。送電アンテナ３０３は、共振アンテナ部３０５１、３０５２を備えている。また、受電アンテナ３０４は、送電アンテナ３０３と同じく、共振アンテナ部３０５３、３０５４を備えている。共振アンテナ部３０５１から３０５４は、２つ以上のアンテナ用コイル３０６１、誘電体３０７１、および、負荷調整機構３０８１を備えている。アンテナ用コイル３０６１は、第２の実施形態と同様に、多層化された半導体プロセスにより形成されたヘリカルコイル、スパイラルコイルなどで構成され、各層が金属ビアなどで接続されていてもよい。各共振アンテナ部に配置されている２つ以上のアンテナ用コイル間のうち、少なくとも２つのアンテナ用コイル間は絶縁している。

本実施形態においても、送電アンテナ３０３は、受電アンテナ３０４としての機能を備えていてもよいし、受電アンテナ３０４は送電アンテナ３０３としての機能を備えていてもよい。また、送電アンテナ３０３と受電アンテナ３０４が、同一の構成であってもよい。

誘電体３０７１は、第１、第２の実施形態と同様であり、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。

負荷調整機構３０８１は、第１、第２の実施形態と同様であり、機械的、電気的、またはその他の方法で共振アンテナ部３０５１から３０５４の負荷を調整し入力インピーダンス、または、出力インピーダンスを調整する機構を有する。なお、本実施形態においては、各共振アンテナ部が負荷調整機構３０８１を有する形態として記述を行ったが、その限りではなく、一部の共振アンテナ部のみが負荷調整機構３０８１を有する形態であっても良い。また、本実施形態においては、負荷調整機構３０８１が共振アンテナ部の内部に設置されている形態として記述を行ったが、その限りではなく、負荷調整機構３０８１の一部、または、全部が共振アンテナ部の外部に設置されているような構成としても良い。

なお、本実施形態においても、例えば送電アンテナ３０３を構成する共振アンテナ部３０５１、および、共振アンテナ部３０５２は良導体媒質３０２を介して設置されているような構成として記述を行ったが、必ずしもその限りではない。共振アンテナ部３０５１、および、共振アンテナ部３０５２の一部、または、全部が良導体媒質３０２に接触する構成としても良い。また例えば、送電アンテナ３０３が、三つ以上の共振アンテナ部を備えていても良い。

また、本実施形態においても、各共振アンテナ部３０５１から３０５４が正対しているものとして記述を行ったが、必ずしもその限りではなく、共振アンテナ部３０５１から３０５４が正対していない形態、すなわち、特定軸に対してずれを生じていても良い。

次に、第３の実施形態による海中無線給電装置３０１の具体的な動作について説明する。本実施形態の海中無線給電装置３０１の動作は、電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に負荷調整機構３０８１とともに距離調整機構３０９１も用いてインピーダンスの調整を行う点で第１、第２の実施形態と異なるが、他は第１、第２の実施形態と同様である。

まず、第１、第２の実施形態と同様に、送電アンテナ３０３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し、出力された交流電力は共振アンテナ部３０５１内部のアンテナ用コイル３０６１に供給される。送電アンテナ３０３を構成する共振アンテナ部３０５１内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部３０５１内部のアンテナ用コイル３０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質３０２）へと送出する。共振アンテナ部３０５２は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部３０５２内部のアンテナ用コイル３０６１に送入する。

ここで、本実施形態では、共振アンテナ部３０５１から共振アンテナ部３０５３への電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に、距離調整機構３０９１が共振アンテナ部３０５１と共振アンテナ部３０５２との距離を調整し、共振アンテナ部３０５１、３０５２に備えられた負荷調整機構３０８１が共振アンテナ部３０５１、３０５２の負荷を調整する。この調整により良導体媒質１０２と共振アンテナ部３０５１、３０５２とのインピーダンスが整合し、また、共振アンテナ部３０５１、共振アンテナ部３０５２、良導体媒質３０２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なる。

以下は第１、第２の実施形態と同様、次に、共振アンテナ部３０５２内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部３０５２内部のアンテナ用コイル３０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質３０２）へと送出する。そして、受電アンテナ３０４を構成する共振アンテナ部３０５３は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部３０５３内部のアンテナ用コイル３０６１に送入する。

この電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に、共振アンテナ部３０５２、３０５３に備えられた負荷調整機構３０８１は、共振アンテナ部３０５２、３０５３の負荷を調整する。この調整により良導体媒質１０２と共振アンテナ部３０５２、３０５３とのインピーダンスが整合し、また、共振アンテナ部３０５２、共振アンテナ部３０５３、良導体媒質３０２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なる。

さらに共振アンテナ部３０５３内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部３０５３内部のアンテナ用コイル３０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質３０２）へと送出する。そして、共振アンテナ部３０５４は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部３０５４内部のアンテナ用コイル３０６１において送入する。ここでも同様に電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に、共振アンテナ部３０５３、３０５４に備えられた負荷調整機構３０８１は、共振アンテナ部３０５３、３０５４の負荷を調整する。この調整により良導体媒質１０２と共振アンテナ部３０５３、３０５４とのインピーダンスが整合し、また、共振アンテナ部３０５３、共振アンテナ部３０５４、良導体媒質３０２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なる。

最後に共振アンテナ部３０５４のアンテナ用コイル３０６１に送入された電力は、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。

本実施形態によれば、第１、または、第２の実施形態の効果に加えて、別の負荷調整手段を提供することが可能となる。第１、または、第２の実施形態では、アンテナの入出力端に負荷調整機構が備わっている形態を前提として説明を実施したが、システム運用者の観点から見れば、システムコスト・簡便性・機構サイズ等の様々な影響を考慮してシステムの設計を実施することが必要となる。このような前提において、本実施形態では、アンテナ間の距離調整による負荷調整機能を提供することができる。
＜第４実施形態＞
次に、第４の実施形態による無線給電装置を、図面を参照しながら説明する。図５は本発明の第４の実施形態による海中無線給電装置の構成を示す図である。

図５に示すように本実施形態の海中無線給電装置４０１は、送電アンテナ４０３の共振アンテナ部４０５１と共振アンテナ部４０５２間に、海水などの良導体媒質４０２を注入する、あるいは、排出する機能を有する媒質注排出機構４１０１を備えている点で他の実施形態と異なる。

なお、本実施形態においては、送電アンテナ４０３のみが媒質注排出機構を有する形態として記述を行ったが、その限りではなく、受電アンテナ４０４の共振アンテナ部４０５３と共振アンテナ部４０５４間に、良導体媒質４０２を注入する、あるいは、排出する機能を有する媒質注排出機構４１０１を備える形態であっても良い。

その他の構成は、第１から第３の実施形態と同様であり、海中無線給電装置４０１は、送電アンテナ４０３及び受電アンテナ４０４を備えている。また、送電アンテナ４０３及び受電アンテナ４０４は、例えば海水などの良導体媒質４０２に覆われている。送電アンテナ４０３は、共振アンテナ部４０５１、４０５２を備えている。また、受電アンテナ４０４は、送電アンテナ４０３と同じく、共振アンテナ部４０５３、４０５４を備えている。共振アンテナ部４０５１から４０５４は、２つ以上のアンテナ用コイル４０６１、誘電体４０７１、および、負荷調整機構４０８１を備えている。アンテナ用コイル４０６１は、第２の実施形態と同様に、多層化された半導体プロセスにより形成されたヘリカルコイル、スパイラルコイルなどで構成され、各層が金属ビアなどで接続されていてもよい。各共振アンテナ部に配置されている２つ以上のアンテナ用コイル間のうち、少なくとも２つのアンテナ用コイル間は絶縁している。

本実施形態においても、送電アンテナ４０３は、受電アンテナ４０４としての機能を備えていてもよいし、受電アンテナ４０４は送電アンテナ４０３としての機能を備えていてもよい。また、送電アンテナ４０３と受電アンテナ４０４が、同一の構成であってもよい。

誘電体４０７１は、第１から第３の実施形態と同様であり、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。

負荷調整機構４０８１は、第１から第３の実施形態と同様であり、機械的、電気的、またはその他の方法で共振アンテナ部４０５１から４０５４の負荷を調整し入力インピーダンス、または、出力インピーダンスを調整する機構を有する。なお、本実施形態においては、各共振アンテナ部が負荷調整機構４０８１を有する形態として記述を行ったが、その限りではなく、一部の共振アンテナ部のみが負荷調整機構４０８１を有する形態であっても良い。また、本実施形態においては、負荷調整機構４０８１が共振アンテナ部の内部に設置されている形態として記述を行ったが、その限りではなく、負荷調整機構４０８１の一部、または、全部が共振アンテナ部の外部に設置されているような構成としても良い。

なお、本実施形態においても、例えば送電アンテナ４０３を構成する共振アンテナ部４０５１、および、共振アンテナ部４０５２は良導体媒質４０２を介して設置されているような構成として記述を行ったが、必ずしもその限りではない。共振アンテナ部４０５１、および、共振アンテナ部４０５２の一部、または、全部が良導体媒質４０２に接触する構成としても良い。また例えば、送電アンテナ４０３が、三つ以上の共振アンテナ部を備えていても良い。

また、本実施形態においても、各共振アンテナ部４０５１から４０５４が正対しているものとして記述を行ったが、必ずしもその限りではなく、共振アンテナ部４０５１から４０５４が正対していない形態、すなわち、特定軸に対してずれを生じていても良い。

次に、第４の実施形態による海中無線給電装置４０１の具体的な動作について説明する。本実施形態の動作は、送電アンテナ４０３を構成する共振アンテナ部４０５１から共振アンテナ部４０５２への電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に負荷調整機構４０８１とともに媒質注排出機構４１０１も用いてアンテナインピーダンスの調整を行う点で他の実施形態と異なっている。

まず、第１から第３の実施形態と同様に、送電アンテナ４０３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し、出力された交流電力は共振アンテナ部４０５１内部のアンテナ用コイル４０６１に供給される。送電アンテナ４０３を構成する共振アンテナ部４０５１内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部４０５１内部のアンテナ用コイル４０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質４０２）へと送出する。共振アンテナ部４０５２は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部４０５２内部のアンテナ用コイル４０６１に送入する。

ここで、本実施形態では、共振アンテナ部４０５１から共振アンテナ部４０５２への電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に、媒質注排出機構４１０１が共振アンテナ部４０５１と共振アンテナ部４０５２との間に良導体媒質４０２を注入、又は排出する。またこれとともに、共振アンテナ部４０５１、４０５２に備えられた負荷調整機構４０８１が共振アンテナ部４０５１、４０５２の負荷を調整する。この調整により良導体媒質４０２と共振アンテナ部４０５１、４０５２とのインピーダンスが整合し、また、共振アンテナ部４０５１、共振アンテナ部４０５２、良導体媒質４０２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なる。

以下は第１から第３の実施形態と同様、次に、共振アンテナ部４０５２内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部４０５２内部のアンテナ用コイル４０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質４０２）へと送出する。そして、受電アンテナ４０４を構成する共振アンテナ部４０５３は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部４０５３内部のアンテナ用コイル４０６１に送入する。

この電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に共振アンテナ部４０５２、４０５３に備えられた負荷調整機構４０８１は、共振アンテナ部４０５２、４０５３の負荷を調整する。この調整により良導体媒質４０２と共振アンテナ部４０５２、４０５３とのインピーダンスが整合し、また、共振アンテナ部４０５２、共振アンテナ部４０５３、良導体媒質４０２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なる。

さらに共振アンテナ部４０５３内部のアンテナ用コイルの共振作用により共振アンテナ部４０５３内部のアンテナ用コイル４０６１は、当該交流電力を、電磁エネルギーとして外部（良導体媒質４０２）へと送出する。そして、共振アンテナ部４０５４は、送出された電磁エネルギーを、共振アンテナ部４０５４内部のアンテナ用コイル４０６１において送入する。ここでも同様に電力伝送動作中、または、電力伝送動作の前後に、共振アンテナ部４０５３、４０５４に備えられた負荷調整機構４０８１は、共振アンテナ部４０５２、４０５３の負荷を調整する。この調整により良導体媒質４０２と共振アンテナ部４０５３、４０５４とのインピーダンスが整合し、また、共振アンテナ部４０５３、共振アンテナ部４０５４、良導体媒質４０２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なる。

最後に共振アンテナ部４０５４のアンテナ用コイル４０６１に送入された電力は、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。

以上、説明したように本実施形態によれば、第１から第３の実施形態の効果に加えて、更に別の負荷調整手段を提供することが可能となる。第１、第２の実施形態では、アンテナの入出力端に負荷調整機構が備わっている形態、また、第３の実施形態ではアンテナ間の距離を調整する距離調整機構を前提として説明したが、システム運用者の観点から見れば、システムコスト・簡便性・機構サイズ等の様々な影響を考慮してシステムの設計を実施することが必要となる。このような前提において、本実施形態では、海水注排出による負荷調整機能を提供することができる。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

例えば第４の実施形態において媒質注排出機構４１０１は、送電アンテナ４０３が共振アンテナ部４０５１と共振アンテナ部４０５２間に、海水を注入する、あるいは、排出してインピーダンスを調整すると説明したが、海水に限らず、真水など他の媒質を注排出してインピーダンスを調整してもよい。
＜上記の実施形態の適用例＞
図６は、上記の実施形態を適用した適用例の概要を示す図である。以下の適用例は第１の実施形態が適用された適用例であるが、他の実施形態が適用されてもよい。

図６は、一例として潜水艇から潜水艇への電力供給に上記の実施形態を適用した適用例を示している。図６に示すように、潜水艇１２３、１２４には、第１の実施形態の送電アンテナ１０３、受電アンテナ１０４が具備されている。まず潜水艇１２３が、通信等の手段（図示せず）を用いて潜水艇１２４に接近する。次に、潜水艇１２３が送電アンテナ１０３を使用して送電を開始する。次に、潜水艇１２４に具備された受電アンテナ１０４が受電し、潜水艇１２４に搭載されたバッテリー等（図示せず）に充電を行う。最後に、十分な充電がなされたと判断された場合に、潜水艇１２４は通信などの手段を用いて潜水艇１２３に命令をだし、送電アンテナ１０３が動作を停止する。

上記の実施形態を用いることで、潮流が起こって潜水艇１２３と潜水艇１２４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。

なお、潜水艇１２３と潜水艇１２４は、送電アンテナ１０３を受電アンテナとして用い、受電アンテナ１０４を送電アンテナとして用いてもよい。あるいは潜水艇１２３及び潜水艇１２４は、送電アンテナ１０３と受電アンテナ１０４の両方を具備しても良い。これらの構成によれば、双方向に電力供給を行うことが可能である。

なお、潜水艇から潜水艇への電力供給に限らず、船舶または海底に敷設されたセンサ装置等に受電アンテナが備えられ、潜水艇から船舶または海底に敷設されたセンサ装置等への電力供給に本発明が適用されてもよい。

この出願は、２０１６年９月１５日に出願された日本出願、特願２０１６−１８０２１１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。

河川、淡水、水道水、土、コンクリートなど、導電率が１×１０^−４Ｓ／ｍ以上で、比誘電率が１より大きな媒質中における無線電力伝送装置に利用することができる。

１０１、２０１、３０１、４０１ 海中無線給電装置
１０２、２０２、３０２、４０２ 良導体媒質
１０３、２０３、３０３、４０３ 送電アンテナ
１０４、２０４、３０４、４０４ 受電アンテナ
１０５１、１０５２、１０５３、１０５４ 共振アンテナ部
１０６１、２０６１、３０６１、４０６１ アンテナ用コイル
１０７１、２０７１、３０７１、４０７１ 誘電体
１０８１ 負荷調整機構
２０５１、２０５２、２０５３、２０５４ 共振アンテナ部
３０５１、３０５２、３０５３、３０５４ 共振アンテナ部
３０９１ 距離調整機構
４０５１、４０５２、４０５３、４０５４ 共振アンテナ部
４１０１ 媒質注排出機構
１２３、１２４ 潜水艇

Claims (9)

1. 媒質中でエネルギーを無線で送る送電アンテナのインピーダンスと前記送電アンテナから送られたエネルギーを受けとる受電アンテナのインピーダンスと前記媒質のインピーダンスで決まる周波数で共振してエネルギーを無線で送る無線給電装置において、
   前記送電アンテナおよび前記受電アンテナはそれぞれ、複数のアンテナ用コイル、及び前記複数のアンテナ用コイル間に配置された少なくとも１つの誘電体を有する複数の共振アンテナ手段を有し、
   複数の前記共振アンテナ手段のうち少なくとも一つは、負荷を調整する負荷調整機構を備える、
   無線給電装置。
2. 前記負荷調整機構は、機械的又は電気的に前記複数の共振アンテナ手段の入力インピーダンス又は出力インピーダンスを調整する機構を有する、請求項１に記載の無線給電装置。
3. 前記アンテナ用コイルは、半導体プロセスにより積層して形成されたヘリカルコイル又はスパイラルコイルで構成され、同層の前記アンテナ用コイル間に誘電体が充填されている、請求項１又は請求項２に記載の無線給電装置。
4. 前記複数の共振アンテナ手段間の距離を調整する距離調整機構を有する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線給電装置。
5. 前記複数の共振アンテナ手段間に、海水を注入する、あるいは、排出する海水注排出機構を有する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の無線給電装置。
6. 前記媒質は、
   導電率が１×１０^−４Ｓ／ｍより高く、かつ、比誘電率が１より高い請求項１から請求項５のいずれかに記載の無線給電装置。
7. 前記媒質が、海水、河川、淡水、水道水、土、コンクリートのいずれかである請求項１から請求項６のいずれかに記載の無線給電装置。
8. 潜水艇に前記送電アンテナを搭載し、海水中に設置したセンサ、船舶または潜水艇に前記受電アンテナを搭載し、前記送電アンテナから前記受電アンテナにエネルギーを無線で送る請求項１から請求項７のいずれかに記載の無線給電装置。
9. 媒質中でエネルギーを無線で送る送電アンテナと、前記送電アンテナから送られたエネルギーを受けとる受電アンテナとがそれぞれ、複数のアンテナ用コイル、及び前記複数のアンテナ用コイル間に配置された少なくとも１つの誘電体を有する複数の共振アンテナ手段を包含し、
   前記複数の共振アンテナ手段のうち少なくとも１つの負荷を調整し、
   前記送電アンテナのインピーダンスと前記受電アンテナのインピーダンスと前記媒質のインピーダンスで決まる周波数で共振してエネルギーを無線で送る、
   無線給電方法。

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