WO2018051934A1

WO2018051934A1 - 無線給電装置

Info

Publication number: WO2018051934A1
Application number: PCT/JP2017/032616
Authority: WO
Inventors: 周平吉田; 田能村　昌宏; 博光田原
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-03-22
Also published as: US10944292B2; GB2568195A; US20190207428A1; GB2568195B; JP2018046668A; GB201903501D0; JP6760806B2

Abstract

海中で給電する無線給電装置の送電アンテナ及び受電アンテナを、海中の移動体やセンサに適合するサイズに小型化できるよう、海中無線給電装置１０１は、良導体媒質１０２中でエネルギーを無線で送る送電アンテナ１０３のインピーダンスと送電アンテナ１０３から送られたエネルギーを受けとる受電アンテナ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。送電アンテナ１０３および受電アンテナ１０４は、複数のアンテナ用コイル１０５、１０６と、複数のアンテナ用コイル１０５、１０６間に配置された少なくとも１つの誘電体１０７、１０８を有し、複数のアンテナ用コイル１０５、１０６は、それぞれ積層された複数の積層コイル１０９を有する。

Description

無線給電装置

　本発明は、無線給電装置に関する。

　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。

　電磁界の損失を低減させるための関連技術が例えば特許文献３及び特許文献４に開示されている。特許文献３に開示される電力伝送システムは、良導体媒質のインピーダンスと送電装置の送電側アンテナの可変容量と可変インダクタとのインピーダンス調整と受電装置の受電側アンテナの可変容量と可変インダクタとのインピーダンス調整とで定まる共振周波数で送電装置が送電側アンテナを介して電力を出力する。送電装置の出力した電力を、受電側アンテナを介して受電装置が受電する。

　また特許文献４に開示される絶縁伝送装置は、第一の回路と第二の回路との間で電磁エネルギーを伝送させる。絶縁伝送装置は、第一の回路、第二の回路それぞれに接続された第一の共振器と第二の共振器とを備える。第一の共振器と第二の共振器は、複数の誘電体の層から成る誘電体多層基板内にそれぞれ第一の導体群、第二の導体群として導体で構成され、第一の導体群と第二の導体群は誘電体によりそれぞれ被覆され、また、隔離されている。

特開２００２－３０５１２１号公報特表２０１０－５２３０３０号公報特開２０１４－１９３０５７号公報国際公開第２０１３／１４５０１９号

　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、海水中で５ｃｍ以上送電アンテナと受電アンテナが離間した状態で数１０％以上の現実的な給電効率で給電しようとした場合、送電アンテナ及び受電アンテナを、海水中の移動体やセンサに適合するサイズまで小型にすることは困難であった。このような課題を解決する技術は特許文献３や特許文献４には開示されていない。

　本発明の目的は、海中で給電する無線給電装置の送電アンテナ及び受電アンテナを、海中の移動体やセンサに適合するサイズに小型化できる技術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共振アンテナ部を有し、前記複数のアンテナ用コイルは、それぞれ積層された複数のコイルを有している。

　本発明によれば、海中で給電する無線給電装置の送電アンテナ及び受電アンテナを、海中の移動体やセンサに適合するサイズに小型化することが可能となる。

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、本実施形態をもとに作製したアンテナにおいてアンテナ間距離と伝送効率との関係を示すグラフである。図３は、送電アンテナ、良導体媒質、受電アンテナが共振している場合における等価回路図である。図４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５は、本発明を適用した第１の適用例の概要を示す図である。図６は、本発明を適用した第２の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１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。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、良導体媒質１０２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１０３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は電力伝送動作ともいう。

　送電アンテナ１０３は、アンテナ用コイル１０５と誘電体１０７を備えている。また、受電アンテナ１０４は、アンテナ用コイル１０６と誘電体１０８を備えている。

　アンテナ用コイル１０５、１０６は、それぞれ２つ以上の積層コイル１０９から構成される。積層コイル１０９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。各アンテナ用コイル１０５、１０６にそれぞれ配置されている２つ以上の積層コイル１０９間に誘電体１０７、１０８が配置され、積層コイル１０９間は、絶縁されている。

　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１０７、１０８は、例えば、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリスチレン、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送電アンテナ１０３内部のアンテナ用コイル１０５に供給される。送電アンテナ１０３が、送電アンテナ１０３内部のアンテナ用コイル１０５の共振作用により近傍電磁界を良導体媒質１０２中に生じ、無線で電力を送電開始する。

　次に、受電アンテナ１０４は、受電アンテナ１０４内部のアンテナ用コイル１０６の共振作用により、送電アンテナ１０３から発せられた近傍電磁界と共振することで、送電アンテナ１０３から送電された電力を受電する。

　このとき、良導体媒質１０２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１０５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１０６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。

　最後に受電アンテナ１０４内部のアンテナ用コイル１０６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、説明したように第１の実施形態によれば、送電アンテナ、および、受電アンテナが２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ることから、小型、かつ、２００ＫＨｚ未満の送電周波数を有する海中無線給電装置を実現することが可能となる。

　図２は、本実施形態をもとに作製したアンテナにおいてアンテナ間距離と伝送効率との関係を測定した結果を示すグラフである。本実施形態により、送電アンテナ及び受電アンテナのサイズは２５ｃｍ□に小型化することができた。また図２で示したように、７０％以上の高い伝送効率が得られていることがわかる。これは、前述のとおり、各々のアンテナ用コイルの共振作用により決定される送電周波数が約２００ＫＨｚと低いためである。

　以下に、本実施形態において送電周波数が約２００ＫＨｚと低い理由を説明する。図３は、送電アンテナ、良導体媒質、受電アンテナが共振している場合における等価回路図である。図３で示したように、アンテナ用コイルは、結合係数で互いに結合している。送電アンテナ、および、受電アンテナの共振周波数は、一般的には送電アンテナと受電アンテナを構成する容量性成分Ｃと、誘導性成分Ｌを用いて式（２）のように表すことができる。

　したがって、共振周波数を下げるためにはＬ、または、Ｃを大きくすればよいことがわかる。本実施形態によれば、二つのアンテナ用コイルが磁気的に結合することで、Ｌが大きくなり、低周波化を実現することができる。結果として高い導電性を有する海水中であっても、高い伝送効率を得ることが可能となる。

　さらに、本実施形態によれば、誘電体が防水の機能を果たすため、不要な防水機構を設ける必要がなく、低コストに海中での無線給電が可能となる。
＜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４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４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２０５、２０６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の積層コイル２０９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。アンテナ用コイル２０５、２０６は、複数の積層コイル２０９の積層構造、望ましくは３枚以上、２０層以下の複数の積層コイル２０９の積層構造により構成されている。複数の積層コイル２０９間の貫通ビアホール等で導通し、それ以外の部分は絶縁している。第１の実施形態と同様、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、良導体媒質２０２中でエネルギーを無線で送る。受電アンテナ２０４は、送電アンテナ２０３から送られたエネルギーを受けとる。海中無線給電装置２０１は、送電アンテナ２０３のインピーダンスと受電アンテナ２０４のインピーダンスと良導体媒質２０２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。

　送電アンテナ２０３は、アンテナ用コイル２０５と誘電体２０７を備えている。また、受電アンテナ２０４は、アンテナ用コイル２０６と誘電体１０８を備えている。

　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２０７、誘電体２０８は、第１の実施形態と同様であり、例えば、テフロン、ポリエチレン、ポリスチレン、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。

　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願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。
＜上記の実施形態の第１の適用例＞
　図５は、本発明を適用した第１の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５は、一例として潜水艇から潜水艇への電力供給に本発明を適用した第１の適用例を示している。図５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。

　本発明を用いることで、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、船舶または海水中に設置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水中に設置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。この構成により、５ｃｍ以上の距離を無線で電力供給することが可能になるため、送電アンテナを搭載した電力供給源などと、受電アンテナを搭載した船舶などが、潮流などの影響で揺れても、精密な船舶の制御を行わずに、衝突せずに安全に高い電力供給効率が得られる。また精密な制御を必要としないため、低コストなシステムとすることができる。
＜上記の実施形態の第２の適用例＞
　次に、本発明の他の適用例について説明する。図６は、本発明を適用した第２の適用例の概要を示す図である。図６は、海中に敷設された電源ケーブルの接続部に本発明を適用した第１の適用例を示している。送電アンテナ１０３が第１の電源ケーブル１２５に具備され、受電アンテナ１０４が第２の電源ケーブル１２６に具備されている。まず電源ケーブル１２５が送電アンテナ１０３を使用して送電を開始する。次に、電源ケーブル１２６に具備された受電アンテナ１０４が受電する。最後に、送電が必要ないと判断された場合に、電源ケーブル１２５は送電アンテナ１０３の動作を停止する。

　本発明を用いることで、海中であっても、無線で電力供給をすることで、電源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。精密な接続作業を必要とせず、かつ、接続部の着脱時の磨耗劣化が生じなくなる。磨耗劣化が少ないため、高信頼、かつ、長期利用が可能なため、結果として、低コストなシステムとなる。また、無線で電力が供給可能であることから、電源ケーブルの脱着時等に、感電や漏電が発生する可能性が無い。

　また、電源ケーブル１２５と電源ケーブル１２６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。さらに、電源ケーブル１２５と電源ケーブル１２６は、送電アンテナ１０３と受電アンテナ１０４を両方具備しても良い。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。

　この出願は、２０１６年９月１４日に出願された日本出願特願２０１６－１７９８９９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給電装置に利用することができる。

　１０１、２０１　　海中無線給電装置
　１０２、２０２　　良導体媒質
　１０３、２０３　　送電アンテナ
　１０４、２０４　　受電アンテナ
　１０５、１０６、２０５、２０６　　アンテナ用コイル
　１０７、１０８、２０７、２０８　　誘電体
　１０９、２０９　　積層コイル
　１２３、１２４　　潜水艇
　１２５、１２６　　電源ケーブル

Claims

　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つの誘電体を有し、
　前記複数のアンテナ用コイルは、それぞれ積層された複数の積層コイルを有する、
　無線給電装置。
　前記アンテナ用コイルは、半導体プロセスにより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る、請求項１に記載の無線給電装置。
　前記媒質は、導電率が１×１０^－４より高く、かつ、比誘電率が１より高い請求項１又は２に記載の無線給電装置。
　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３のいずれかに記載の無線給電装置。
　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４のいずれかに記載の無線給電装置。
　海水中に設置した第１の電源ケーブルに前記送電アンテナを搭載し、海水中に設置した第２の電源ケーブルに前記受電アンテナを搭載し、前記第１の電源ケーブルから前記第２の電源ケーブルにエネルギーを無線で送る請求項１から請求項４のいずれかに記載の無線給電装置。