JP7333938B2 - 水中無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、高周波を送電する送受電装置およびそれを用いる無線電力伝送システムに関するものである。具体的には、淡水中や海水中などを自由に移動し、配管や橋梁、海底資源探索や断層調査などに用いられる潜水機等へ無線で電力を供給、情報を送受信するための構造および電子機器システムに関する。

淡水中や海水中における潜水機への無線電力伝送システムは、伝送コイルを用いた磁界結合を利用して送受電する。

例えば、特許文献１では、水中において電力を伝送するための伝送コイルであって、交流電流が流れる環状の電線と非導電性樹脂又は非磁性樹脂を有し、前記電線の周囲を密閉する第１のカバーとを有し、前記電線は前記交流電流が流れることで発生する磁界を介して前記電力を伝送する伝送コイルが開示されている。

このような従来の無線電力伝送システムでは、高い電力伝送効率を実現するために、金属導体の損失低減から径の大きな金属コイルを数メートルの直径からなる環状に多数回巻いた構造となっている。

また、特許文献２では、高周波インバータと送電共振回路と圧電体を用いた送電超音波振動子などからなる超音波非接触給電システムが開示されている。水中での電力伝送が可能であるが、特に、機械的共振周波数と電力周波数を共に制御する必要があり、システムは複雑である。

特開２０１８－１７０４８０号公報 特開２０１７－２２０９９０号公報

従来のアンテナやコイルを用いた無線電力伝送システムでは、電磁波や磁界を発生させるために使用するアンテナおよび伝送コイルの総重量が非常に大きいため、潜水機の総重量が大幅に増加する。また、漏洩する磁界を閉じ込めるための遮蔽金属や伝送効率を改善するために使用するフェライトはさらに潜水機の総重量を増加させる。結果、潜水機の浮力制御が困難になるという課題を有している。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、伝送効率を劣化させることなく、軽量化された送受電装置およびそれを用いる無線電力伝送システムを実現するものである。

本発明にかかる第一の水中無線電力伝送システムは、
淡水中または海水中において無線による電力電送を行うためのシステムであって、
送電側に設けられる送電装置と、受電側に設けられる受電装置とを備え、
前記送電装置は、２以上の導体平板を有する送電器を備え、前記受電装置は、２枚以上の導体平板を有する受電器を備え、
前記送電器の導体平板と前記受電器の該導体平板とが相互に対向して配置されるものであることを特徴とする。

上記構成および構造により、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。

また、本発明にかかる第二の水中無線電力伝送システムは、
前記第一の水中無線電力伝送システムであって、
前記送電器および前記受電器の各導体平板は、それぞれ送電装置または受電装置の各表面に設けられるものであり、前記送電器の前記導体平板および前記受電器の導体平板が、相互に対向して配置される状態において、該導体平板の周囲を絶縁体によって包囲されるものであることを特徴とする。

上記構成および構造により、少なくとも２つ配置した送電器間の導通や電磁界結合を低減できるので、結果、総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。

また、本発明にかかる第三の水中無線電力伝送システムは、
前記第二の水中無線電力伝送システムであって、
前記送電器の導体平板と前記受電器の導体平板とは、相互に同数設けられるものであり、相互に対向して形成される各組ごとに、該導体平板の周囲を絶縁体によって包囲されるものであることを特徴とする。

また、本発明にかかる第四の水中無線電力伝送システムは、
前記第二または第三の水中無線電力伝送システムであって、
前記絶縁体は、前記送電装置または前記受電装置のいずれか一方の表面において前記導体平板の周囲に立設されるものであり、該送電器の導体平板と該受電器の導体平板とが対向するとき、前記絶縁体が双方の導体平板を包囲するものであることを特徴とする。

また、本発明にかかる第五の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第四のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記導体平板は、正方形または円形に形成された平面を有するものであり、対向して配置される導体平板の表面形状を同じものとしていることを特徴とする。

また、本発明にかかる第六の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第五のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記送電器の２以上の導体平板が相互に形成する間隙と、前記受電器の２以上の導体平板が相互に形成する間隙とは、ともに同寸法であり、この間隙寸法は、対向する両者に形成される間隔よりも大きくなるように設けられていることを特徴とする。

また、本発明にかかる第七の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第六のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記送電側は、給電ステーションであり、前記受電側は、潜水機であり、前記送電器は、前記給電ステーションの上面に配置され、前記受電器は、前記潜水機の底面に配置されるものであることを特徴とする。

また、本発明にかかる第八の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第六のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記送電側は、適宜間隔の壁面を有する給電ステーションであり、前記受電側は、潜水機であり、前記送電器は、前記給電ステーションの壁面内側に少なくとも１つずつ分かれて配置され、前記受電器は、前記潜水機の左右両側の側面に少なくとも１つずつ分かれて配置されるものであることを特徴とする。

また、本発明にかかる第九の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第八のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記送電器および前記受電器は、信号の無線伝送に供されるものであり、前記送電装置および前記受電装置の情報を相互に伝送するものであることを特徴とする。

本発明によれば、水中において、潜水機の総重量を大幅に増加させることなく、簡素な無線電力伝送システムにより、送電装置から必要な電力を高効率に受電装置へ供給できるようになる。

本発明にかかる無線電力伝送システム１が配置される環境の一例を示す模式図である。 本発明にかかる無線電力伝送システム１の構成例を示すブロック図である。 本発明にかかる給電ステーション３において、同一平面に設置された送電器１０１を側面から見た断面図である。 発明にかかる給電ステーション３において、同一平面に設置された送電器１０１を真上から見た図である。 本発明にかかる潜水機２において、同一平面に設置された受電器２０１を側面から見た断面図である。 本発明にかかる潜水機２において、同一平面に設置された受電器２０１を真上から見た図である。 本発明にかかる無線電力伝送システム１における送電器１０１と受電器２０１の配置関係を示した図である。 本発明の実施例１にかかる送電器の構成図である。 本発明の実施例１にかかる受電器の構成図である。 本発明の実施例１にかかる送電器と受電器の配置関係を示した図である。 本発明の実施例１にかかる海水を模擬した食塩水の導電率特性図である。 本発明の実施例１にかかる送受電器間の電力伝送効率特性図である。 本発明の実施例２にかかる送電器の構成図である。 本発明の実施例２にかかる受電器の構成図である。 本発明の実施例２にかかる送電器と受電器の配置関係を示した図である。 本発明の実施例２にかかる送受電器間の電力伝送効率特性図である。 本発明の実施例１および２にかかる送受電器間の配置を変えた場合の構成図である。 本発明の実施例１におよび２にかかる淡水を模擬した水道水の誘電正接特性図である。

本発明の実施形態について、以下、図を参照しながら説明する。ただし、説明に使用する図面及び以下の説明は、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。

本発明にかかる無線電力伝送システムについて、図１を用いて説明する。図１は、本発明にかかる無線電力伝送システム１が配置される環境の一例を示す模式図である。潜水機２は送電装置１００を備えた給電ステーション３に着底している。前記潜水機２はいずれも受電装置２００を搭載している。前記給電ステーション３は設置後の安定性から例えば、陸上よりケーブル５を介して電力と情報を伝送し、海底６に設置する。淡水の場合は水底となる。前記潜水機３は、前記給電ステーション３で十分にバッテリを充電したら、潜水機５のように探索活動などに従事する。
なお、海底まで潜水する必要が無い場合は、電力を送電する母船７よりケーブル８を介して水中給電ステーション９を浮かべてもよい。その場合、潜水機１０は前記受電装置２００を搭載しており、前記給電ステーション９上に着底することで無線電力伝送が行われる。

図２は、無線電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。無線電力伝送システム１は、送電装置１００、受電装置２００、および金属平板からなる送電器１０１、受電器２０１を備える。受電装置２００は、送電装置１００に搭載した前記送電器１０１から送電される高周波電力を受電器２０１で受電する。

前記送電器１０１は少なくとも２枚以上の金属平板を配置した構造を取る。ここでは２枚の金属平板１０２、１０３を同一平面状に配置した場合を例に説明する。図３は同一平面に設置された前記送電器１０１を側面から見た断面図である。前記金属平板１０２、１０３は同一平面上に配置され、例えば、送電装置１００を保護する外壁と水中が接する表面に設置される。各金属平板を囲うように絶縁体１０４、１０５、１０６が配置される。図４は同一平面に設置された前記送電器１０１を真上から見た図である。前記金属平板１０２、１０３をそれぞれ囲うように前記絶縁体壁１０４、１０５、１０６のほか、絶縁体壁１０７、１０８が配置されている。

前記受電器２０１は少なくとも２枚以上の金属平板を配置した構造を取る。ここでは２枚の金属平板２０２、２０３を同一平面状に配置した場合を例に説明する。図５は同一平面に設置された前記受電器２０１を側面から見た断面図である。前記金属平板２０２、２０３は同一平面上に配置され、例えば、受電装置２００を搭載する潜水機２の底面に設置される。図６は同一平面に設置された前記受電器２０１を真上から見た図である。

前記受電装置２００を搭載する潜水機２が前記送電装置１００を備えた給電ステーション３に着底したときの無線電力伝送システム１における前記送電器１０１と前記受電器２０１の配置関係を図７に示す。ここでは潜水機２が給電ステーション３に着底した場合で説明する。図７は図５、図６に示したＸ－Ｘ’面における断面図である。潜水機２の底面に設置された前記受電器２０１が送電装置１００を保護する外壁と水中が接する表面に設置された前記送電器１０１がお互いに対向配置となるように潜水機２は給電ステーション３に着底する。このとき、前記絶縁体壁１０４、１０５、１０６、１０７、１０８は潜水機２と給電ステーション３の接触時に生じる衝撃を緩和する役割を果たす。
前記絶縁体壁１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、および潜水機２と給電ステーション３によって囲まれた、金属平板１０２と金属平板２０２が対応配置された領域１１と、金属平板１０３と金属平板２０３が対応配置された領域１２は海水で満たされることになる。湖や河川では前記領域１１と前記領域１２は淡水に満たされることになる。

前記領域１１と前記領域１２が海水で満たされた場合、海水は１ｋＨｚから２０ｋＨｚ付近までは１．０以上のＱ値を示し、２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの間で高い導電率を示すため、送電周波数を１ｋＨｚから１００ＭＨｚの間に設定することで高効率に電力を送電することができる。結果、潜水機は少なくとも金属平板２枚を備えるだけで電界結合に加えて海水の導電率に基づいて海水を伝送線路として取り扱うことにより電力を受電できるため、潜水機の総重量を大幅に増加させることなく、海水中において送電器からの必要な電力の高効率給電が実現できる。

前記領域１１と前記領域１２が淡水で満たされた場合、淡水は２０ＭＨｚから２００ＭＨｚの間で低い誘電正接を示すため、送電周波数を２０ＭＨｚから２００ＭＨｚの間に設定することで高効率に電力を送電することができる。結果、潜水機は少なくとも金属平板２枚を備えるだけで電界結合より電力を受電できるため、潜水機の総重量を大幅に増加させることなく、淡水中において送電器からの必要な電力の高効率給電が実現できる。

なお、金属平板１０２、１０３、２０２、２０３は腐食を防ぐために表面を絶縁体でコーティングしても同等の電力伝送効率を実現できる。

本システムは電力伝送のみに限らず、情報も同時に伝送可能である。１例として図２を用いて説明する。まず電力の流れを説明する。給電ステーション３側については以下となる。給電ステーション３では、高周波電力を発生するＲＦ電源１１０が整合回路１１１を介してバラン１１２に接続されている。ＲＦ電源１１０、整合回路１１１はともにシングルエンド端子なので、バラン１１２のシングルエンド端子に接続される。バラン１１２の差動出力端子はダイプレクサ１１３を介して送電器１０１に接続され、電力が送電される。送電器１０１は差動入力なので、ダイプレクサ１１３も差動端子を有している。この際、図示していないが送電電力の反射量はモニタリングされており、反射量が小さくなるように整合回路１１１は自動で調整される。なお、ＲＦ電源１１０は整合回路１１１を介してダイプレクサ１１３に接続されたのち、ダイプレクサ１１３の出力とバラン１１２を接続してもよい。あるいは、バラン機能を有するダイプレクサ１１３を用い、バラン１１２を省略してもよい。あるいはダイプレクサ２１０を差動入力、差動出力で設計し、整合回路１１１にバラン機能を付加してもバラン１１２を省略できる。

続いて、潜水機２側について説明する。前記送電器１０１から送電された高周波電力は受電器２０１で受電される。受電器２０１はダイプレクサ２１０の入力端子と接続され、ダイプレクサ２１０の出力端子の一端はバラン２１１に接続される。バラン２１１は整合回路２１２を介して整流回路２１３に接続され、高周波電力を直流電力に変換する。整流回路２１３の他端はバッテリ２１４に接続されており、直流電力が投入されバッテリ２１４を充電する。この際、図示していないが受電電力の透過量はモニタリングされており、透過量が大きくなるように整合回路２１２は自動で調整される。なお、受電器２０１はバラン２１１と接続したあと、ダイプレクサ２１０に接続してもよい。あるいは、バラン機能を有するダイプレクサを用い、バラン２１１を省略してもよい。あるいはダイプレクサ２１０を差動入力、差動出力で設計し、整合回路２１２、整流回路２１３を差動回路で設計することでバラン２１１は省略できる。

次に情報の流れを説明する。潜水機２側において、前記バッテリ２１４はＤＣ／ＤＣ２１５にも接続されており、バッテリ２１４の電力はＤＣ／ＤＣ２０１５を介して通信モジュール２１６に供給される。通信モジュール２１６は、例えばカメラモジュール２２０を有しており、カメラモジュール２２０は信号処理回路２１９を介してラインドライバ２２１に接続され、カメラモジュール２２０で撮影された動画データや画像データが伝送される。さらにラインドライバ２２１から前記通信トランス２１７を介して前記ダイプレクサ２１０の他端へ入力される。前記ダイプレクサ２１０は受電器２０１に接続されているので、受電器２０１から前記送電器１０１へデータ伝送される。すなわち、電力伝送と情報通信の周波数をそれぞれ異なる周波数に設定することで、電力も情報も同時に伝送できる。

給電ステーション３側では、前記送電器１０１に接続されているダイプレクサ１１３の他端は通信トランス１１４と接続される。通信トランス１１４は電力伝送回路の基準電位と情報通信回路の基準電位を切り離す目的で使用しているが、電力伝送の基準電位と情報通信回路の基準電位をアースできるならば必ずしも接続しなくてもよい。通信トランス１１４の他端は可変ゲインアンプ１１５と接続され、可変ゲインアンプ１１５の他端は信号処理回路１１６に接続される。この経路を通って受信したデータがユーザの手元に届く。
前記信号処理回路１１６の他端は、ラインドライバ１１７に接続されており、例えば、データの受信開始となる信号やデータの受信完了といった情報を伝送する。伝送された情報はラインドライバ１１７の出力に接続された通信トランス１１４を介してダイプレクサ１１３に入力され、さらに前記送電器１０１へと伝わる。そして、送電器１０１から前記受電器２０１へ情報伝送される。前記潜水機２に搭載された受電器２０１で受信した情報は高周波電力と同様に前記ダイプレクサ２１０へ入力される。入力された情報は、先に記したデータ伝送と同じようにダイプレクサ２１０を介して前記通信トランス２１７へ入力される。通信トランス２１７の他端は可変ゲインアンプ２１８に接続されており、前記可変ゲインアンプ２１８の出力は信号処理回路２１９へと入力される。このようにしてデータの受信開始となる信号やデータの受信完了といった情報は前記潜水機２へ伝わり、適宜、通信が行わる。

例えば、図３、図４に示す送電器１０１の金属平板１０２、１０３を図８に示す金属平板１４、１５で表現して銅で構成し、金属平板１４と金属平板１５において、各金属平板の少なくとも一辺にＬ型の導体線路１７、１８を接続する。前記Ｌ型の導体線路１７、１８の一端を開放端とし、その開放端には、電力を供給する配線を接続するため例えばＢＮＣコネクタをはんだで固定するビアホール１９、２０をそれぞれ設ける。前記絶縁体壁１０４、１０５、１０６、１０７をニトリルゴムからなる絶縁体壁２１、２２、２３、２４で、給電ステーション３および潜水機２をそれぞれ比誘電率３．９からなる誘電体基板１６で模擬する。ここで前記Ｌ型の導体線路１７、１８側に設置する前記絶縁体１０８は実験の都合上、模擬していないが、例えば、同様にニトリルゴムで模擬しても特性に影響はない。
そして、図５、図６に示す受電器２０１の金属平板２０２、２０３を図９に示す金属平板２５、２６で表現して銅で構成し、金属平板２５と金属平板２６において、各金属平板の少なくとも一辺にＬ型の導体線路２８、２９を接続する。前記Ｌ型の導体線路２８、２９の一端を開放端とし、その開放端には、電力を取り出す配線を接続するため例えばＢＮＣコネクタをはんだで固定するビアホール３０、３１をそれぞれ設ける。給電ステーション４を比誘電率３．９からなる誘電体基板２７で模擬した図１０に示す無線電力伝送システム１３を考える。図１０は図８、図９に示したＹ－Ｙ’面における断面図である。図１０に示す無線電力伝送システム１３で実験を行う上で、絶縁体壁２４を底面として垂直に立てらせる。そして、上面側となる前記Ｌ型の導体線路１７、１８側から海水を模擬した食塩水を注ぐため、前記絶縁体１０８は設けていない。

前記誘電体基板１６、２７は長辺を２０．５ｃｍ、短辺を１７．５ｃｍ、厚み１．６ｍｍとし、前記金属平板１４、１５、２５、２６のサイズは、例えば、長辺を１７ｃｍ、短辺を４ｃｍ、厚み７０μｍとする。前記金属平板１４と１５、および前記金属平板２５と２６の間隔は２ｃｍとする。前記絶縁体壁２２、２３、２４の幅を１ｃｍ厚みを２ｃｍとし、前記絶縁体壁２２、２４の長さを２０．５ｃｍ、前記絶縁体壁２３の長さを１８．６ｃｍとし、前記誘電体基板１６の外周に沿って配置する。前記Ｌ型配線１７、１８および２８、２９の幅は２ｍｍとし、開放端側から長さ１１．５ｍｍで直角に曲がり、２０ｍｍ伸びたところで前記金属平板１４、１５、２５、２６とそれぞれ接続される。前記Ｌ型配線１７、１８および２８、２９の開放端側に設けたビアホール１９、２０および３０、３１の直径は０．８ｍｍとする。
前記絶縁体壁２１、２２、２３、２４および前記誘電体基板１６、２７によって囲まれた、金属平板１４と金属平板２５が対向配置された領域３２と、金属平板１５と金属平板２６が対向配置された領域３３を、海水を模擬した濃度３．５％の食塩水で満たす。

海水を模擬した濃度３．５％の食塩水のＱ値と導電率の測定結果を図１１に示す。１ｋＨｚから２０ｋＨｚ付近までは１．０以上のＱ値を示し、２０ｋＨｚ付近から導電率が向上し、１００ｋＨｚから１００ＭＨｚまでが導電率４Ｓ／ｍ以上を示す。ここでは導電率が高い周波数帯における電力伝送効率を図１２に示す。図１２は、例えば、前記誘電体基板１６と前記誘電体基板２７を５ｍｍ離して構成した前記無線電力伝送システム１３において、ベクトルネットワークアナライザの一端子とバランのシングルエンド端子を接続し、バランの差動出力端子の一端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール１９に固定し、バランの差動出力端子の他端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール２０に固定して差動により電力を送電し、ベクトルネットワークアナライザの他端子とバランのシングルエンド端子を接続し、バランの差動出力端子の一端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール３０に固定し、バランの差動出力端子の他端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール３１に固定して差動により送電された電力を受電し、その送電電力と受電電力の比から得られる電力伝送効率を周波数軸でグラフ化したものである。

図１１より海水が高い導電率を示すことで高周波帯では誘電体としてだけでなく導体としても振る舞うことが読み取れる。この海水からなる導体を絶縁体壁で囲うことで導波路が構成される。つまり、前記絶縁体壁２１、２２、２３、２４および前記誘電体基板１６、２７によって囲まれた、金属平板１４と金属平板２５が対応配置された領域３２と、金属平板１５と金属平板２６が対応配置された領域３３が導波路として振う。ここで、前記金属平板１４と前記金属平板１５にお互いに逆相となる高周波電力を投入すると、電気的に切り離された領域３２と領域３３からなる導波路を介して伝送されて、前記金属平板２５および前記金属平板２６で電力を取り出すことができる。例え、前記金属平板１４、１５、２５、２６を絶縁体でコーティングしても海水が導体として振る舞うため、前記金属平板１４、１５、２５、２６と海水が電極として振る舞うコンデンサを形成され、コンデンサ部分は電界結合によって、海水部分は電界結合と海水の導電率に従った導波路を介して電力が伝送されることになる。結果、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。

なお、ここでは実験の容易さから電力の入力線路としてビアホール１９、２０およびＬ型の導体線路１７、１８、および電力の出力線路としてビアホール３０、３１およびＬ型の導体線路２８、２９を設けているが、必ずしもこれに沿うものではなく、例えば、金属平板１４、１５および金属平板２５、２６上にビアホールを設けて電力の入力線路および出力線路を設けてもよい。これにより引き回し線路による損失を低減できる。あるいは、金属平板１４、１５および金属平板２５、２６に対して誘電体基板１６、１７を介して対向配置した金属平板をそれぞれ設けることで容量結合により電力を入力、および出力させることができる。これによりビアホールを設ける必要がなく、製作が容易になる。

また、実験の容易さから金属平板１４、１５および金属平板２５、２６を同一平面上に構成したが、必ずしもこれに沿うものではなく、例えば、図１に示すように潜水機１０が母船７より海中へケーブル８を介して設けた給電ステーション９に着底する場合、図１７に示すように潜水機の側面に金属平板５４、５５を設け、給電ステーション９の側壁上に設けた金属平板５６、５７と対向配置させてもよい。ここでは絶縁体壁を図示していないが、同様に絶縁体壁で前記金属平板５４と前記金属平板５６、前記金属平板５５と前記金属平板５７をそれぞれ囲うことで同等の電力伝送効率を実現できる。

実験では前記領域３２、３３に海水を模擬した食塩水を充填したが、淡水を充填しても同等の効果を得ることができる。淡水の場合は、海水に比べて導電率が非常に低いため、絶縁体として振る舞う。その場合、前記金属平板１４と２５、１５と２６がそれぞれ電界結合するため、結果として高効率電力伝送が実現できる。例えば、水道水の誘電正接を図１８に示す。このように水道水に近い淡水ならば、２０ＭＨｚから２００ＭＨｚまでの範囲で誘電正接が小さくなるので、特に高効率電力伝送が実現できる。この際、淡水が高周波帯では絶縁体として振る舞うことから、前記金属平板１４に投入された電力によって生じる電気力線が前記金属平板１５へ、また前記金属平板１５に投入された電力によって生じる電気力線が前記金属平板１４へ向かい、効率の低下を招く恐れがある。しかし、前記金属平板１４と前記金属平板１５の間隔を、金属平板１４と金属平板２５、および金属平板１５と金属平板２６の距離よりも広くすることで、電気力線は最も近い距離にある導体へ向かうので、前記金属平板１４および前記金属平板１５に発生した電気力線はそれぞれ前記金属平板２５および前記金属平板２６へ向かうようになるので、高効率電力伝送を達成できる。結果、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。

例えば、図３、図４に示す送電器１０１の金属平板１０２、１０３を図１３に示す金属平板３４、３５で表現して銅で構成し、金属平板３４と金属平板３５において、各金属平板にＬ型の導体線路３７、３８を接続する。前記Ｌ型の導体線路３７、３８の一端を開放端とし、その開放端には、電力を供給する配線を接続するため例えばＢＮＣコネクタをはんだで固定するビアホール３９、４０をそれぞれ設ける。前記絶縁体壁１０４、１０６、１０７をニトリルゴムからなる絶縁体壁４１、４２、４３で、給電ステーション３および潜水機２をそれぞれ比誘電率３．９からなる誘電体基板３６、４６で模擬する。ここで前記Ｌ型の導体線路１７、１８側に設置する前記絶縁体１０８は実験の都合上、模擬していないが、例えば、同様にニトリルゴムで模擬しても特性に影響はない。
そして、図５、図６に示す受電器２０１の金属平板２０２、２０３を図１４に示す金属平板４４、４５で表現して銅で構成し、金属平板２５と金属平板２６において、各金属平板にＬ型の導体線路４８、４９を接続する。前記Ｌ型の導体線路４８、４９の一端を開放端とし、その開放端には、電力を取り出す配線を接続するため例えばＢＮＣコネクタをはんだで固定するビアホール４９、５０をそれぞれ設ける。給電ステーション４を比誘電率３．９からなる誘電体基板５１で模擬した図１５に示す無線電力伝送システム５２を考える。図１５は図１３、図１４に示したＺ－Ｚ’面における断面図である。図１５に示す無線電力伝送システム５２で実験を行う上で、絶縁体壁４３を底面として垂直に立てらせる。そして、上面側となる前記Ｌ型配線４７、４８側から海水を模擬した食塩水を注ぐため、前記絶縁体１０８は設けていない。

前記誘電体基板３６、４６は長辺を３０．５ｃｍ、短辺を１７．０ｃｍ、厚み１．６ｍｍとし、前記金属平板３４、３５、４４、４５のサイズは、例えば、半径を５ｃｍ、厚み７０μｍとした円状の電極で表現する。前記金属平板３４と３５、および前記金属平板４４と４５の間隔は５ｍｍとする。前記絶縁体壁４１、４２、４３の幅を１ｃｍ厚みを２ｃｍとし、前記絶縁体壁４１、４２の長さを１７．０ｃｍ、前記絶縁体壁４３の長さを３０．５ｃｍとし、前記誘電体基板３６の外周に沿って配置する。前記Ｌ型配線３７、３８および４７、４８の幅は１．３ｍｍとし、開放端側から長さ８０ｍｍで直角に曲がり、３０ｍｍ伸びたところで前記金属平板３４、３５、４４、４５とそれぞれ接続される。前記Ｌ型配線３７、３８および４７、４８の開放端側に設けたビアホール３９、４０および４９、５０の直径は０．８ｍｍとする。
前記絶縁体壁４１、４２、４３および前記誘電体基板３６、４６によって囲まれた、金属平板３４と金属平板３５、および金属平板４４と金属平板４５が対向配置された領域５３を、海水を模擬した濃度３．５％の食塩水で満たす。

海水を模擬した濃度３．５％の食塩水の導電率の測定結果をは図１１に示したとおりである。１００ｋＨｚから１００ＭＨｚまでが導電率４Ｓ／ｍ以上を示す。この周波数帯における電力伝送効率を図１６に示す。図１６は、例えば、前記誘電体基板３６と前記誘電体基板４６を５ｍｍ離して構成した前記無線電力伝送システム５２において、ベクトルネットワークアナライザの一端子とバランのシングルエンド端子を接続し、バランの差動出力端子の一端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール３９に固定し、バランの差動出力端子の他端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール４０に固定して差動により電力を送電し、ベクトルネットワークアナライザの他端子とバランのシングルエンド端子を接続し、バランの差動出力端子の一端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール４９に固定し、バランの差動出力端子の他端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール５０に固定して差動により送電された電力を受電し、その送電電力と受電電力の比から得られる電力伝送効率を周波数軸でグラフ化したものである。

図１１より海水が高い導電率を示すことで高周波帯では誘電体としてだけでなく導体としても振る舞うことが読み取れる。この海水からなる導体を絶縁体壁で囲うことで導波路が構成される。つまり、前記絶縁体壁４１、４２、４３および前記誘電体基板３６、４６によって囲まれた、金属平板３４と金属平板３５、および金属平板４４と金属平板４５が対向配置された領域５３は導波路として振う。ここで、前記金属平板３４と前記金属平板３５にお互いに逆相となる高周波電力を投入すると、前記領域５３からなる導波路を介して伝送されて、前記金属平板４４および前記金属平板４５で電力を取り出すことができる。この際、海水は高周波帯で導体として振る舞うため、前記金属平板３４に投入された電力は領域５３からなる導波路を介して前記金属平板３５へ、また前記金属平板３５に投入された電力は領域５３からなる導波路を介して前記金属平板３４へ流れ込むため、効率の低下を招く恐れがある。しかし、前記金属平板３４と前記金属平板３５の最も近い距離よりも、金属平板３４と金属平板４４、および金属平板３５と金属平板４５の距離の方を短くすることで、海水の電気抵抗は金属平板３４と金属平板４４、および金属平板３５と金属平板４５の距離の方が小さくなるので、高効率電力伝送を達成できる。例え、前記金属平板３４、３５、４４、４５を絶縁体でコーティングしても海水が導体として振る舞うため、前記金属平板３４、３５、４４、４５と海水が電極として振る舞うコンデンサを形成され、コンデンサ部分は電界結合によって、海水部分は電界結合と海水の導電率に従った導波路を介して電力が伝送されることになる。結果、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。

なお、前記絶縁体壁４１、４２、４３は前記誘電体基板３６、４６を囲うように配置したが、これは実験の都合上、前記領域５３に海水を充てんするために設けた配置であり、必ずしもこれに沿うものではない。

また、実験の容易さから電力の入力線路としてビアホール３９、４０およびＬ型の導体線路３７、３８、および電力の出力線路としてビアホール４９、５０およびＬ型の導体線路４７、４８を設けているが、必ずしもこれに沿うものではなく、例えば、金属平板３４、３５および金属平板４４、４５上にビアホールを設けて電力の入力線路および出力線路を設けてもよい。これにより引き回し線路による損失を低減できる。あるいは、金属平板３４、３５および金属平板４４、４５に対して誘電体基板３６、４６を介して対向配置した金属平板をそれぞれ設けることで容量結合により電力を入力、および出力させることができる。これによりビアホールを設ける必要がなく、製作が容易になる。

実験では前記領域５３に海水を模擬した食塩水を充填したが、淡水を充填しても同等の効果を得ることができる。淡水の場合は、海水に比べて導電率が非常に低いため、絶縁体として振る舞う。その場合、前記金属平板３４と３５、４４と４５がそれぞれ電界結合するため、結果として高効率電力伝送が実現できる。例えば、水道水の誘電正接を図１８に示す。このように水道水に近い淡水ならば、２０ＭＨｚから２００ＭＨｚまでの範囲で誘電正接が小さくなるので、特に高効率電力伝送が実現できる。この際、淡水が高周波帯では絶縁体として振る舞うことから、前記金属平板３４に投入された電力によって生じる電気力線が前記金属平板３５へ、また前記金属平板３５に投入された電力によって生じる電気力線が前記金属平板３４へ向かい、効率の低下を招く恐れがある。しかし、前記金属平板３４と前記金属平板３５の間隔を、金属平板３４と金属平板４４、および金属平板３５と金属平板４５の距離よりも広くすることで、電気力線は最も近い距離にある導体へ向かうので、前記金属平板３４および前記金属平板３５に発生した電気力線はそれぞれ前記金属平板４４および前記金属平板４５へ向かうようになるので、高効率電力伝送を達成できる。結果、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。

１、１３、５２ 無線電力伝送システム
２、５、１０ 潜水機
３、９ 給電ステーション
４、８ ケーブル
６ 海底
７ 母船
１１、１２、３２、３３、５３ 領域
１４、１５、２５、２６、３４、３５、４４、４５、
１０２、１０３、２０２、２０３ 金属平板
１６、２７、３６、４６ 誘電体基板
１７、１８、２８、２９、３７、３８、４７，４８ Ｌ型の導体線路
１９、２０、３０、３１、３９、４０、４９、５０ ビアホール
２１、２２、２３、２４、４１、４２、４３、
１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ 絶縁体壁
１００ 送電装置
１０１ 送電器
１１０ ＲＦ電源
１１１、２１２ 整合回路
１１２、２１０ バラン
１１３、２１０ ダイプレクサ
１１４、２１７ 通信トランス
１１５、２１８ 可変ゲインアンプ
１１６、２１９ 信号処理回路
１１７、２２１ ラインドライバ
２００ 受電装置
２０１ 受電器
２１３ 整流回路
２１４ バッテリ
２１５ ＤＣ／ＤＣ
２１６ 通信モジュール
２２０ カメラモジュール

Claims (9)

1. 淡水中または海水中において無線による電力電送を行うためのシステムであって、
   送電側に設けられる送電装置と、受電側に設けられる受電装置とを備え、
   前記送電装置は、２以上の導体平板を有する送電器を備え、前記受電装置は、２枚以上の導体平板を有する受電器を備え、
   前記送電器の導体平板と前記受電器の導体平板とが相互に対向して配置され、
   前記送電器の導体平板および前記受電器の導体平板は、それぞれ送電装置または受電装置の各表面に設けられており、
   さらに、前記送電器の導体平板および前記受電器の導体平板が、相互に対向して配置される状態において、該導体平板の周囲を絶縁体によって包囲されるものであることを特徴とする水中無線電力伝送システム。
2. 前記送電器の導体平板と前記受電器の導体平板とは、相互に同数設けられるものであり、相互に対向して形成される各組ごとに、該導体平板の周囲を絶縁体によって包囲されるものであることを特徴とする請求項１に記載の水中無線電力伝送システム。
3. 前記絶縁体は、前記送電装置または前記受電装置のいずれか一方の表面において前記導体平板の周囲に立設されるものであり、該送電器の導体平板と該受電器の導体平板とが対向するとき、前記絶縁体が双方の導体平板を包囲するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の水中無線電力伝送システム。
4. 前記導体平板は、正方形または円形に形成された平面を有するものであり、対向して配置される導体平板の表面形状を同じものとしていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の水中無線電力伝送システム。
5. 前記送電器の２以上の導体平板が相互に形成する間隙と、前記受電器の２以上の導体平板が相互に形成する間隙とは、ともに同寸法であり、この間隙寸法は、対向する両者に形成される間隔よりも大きくなるように設けられていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の水中無線電力伝送システム。
6. 淡水中または海水中において無線による電力電送を行うためのシステムであって、
   送電側に設けられる送電装置と、受電側に設けられる受電装置とを備え、
   前記送電装置は、２以上の導体平板を有する送電器を備え、前記受電装置は、２枚以上の導体平板を有する受電器を備え、
   前記送電器の導体平板と前記受電器の該導体平板とが相互に対向して配置されるものであり、
   前記送電器の２以上の導体平板が相互に形成する間隙と、前記受電器の２以上の導体平板が相互に形成する間隙とは、ともに同寸法であり、この間隙寸法は、対向する両者に形成される間隔よりも大きくなるように設けられていることを特徴とする水中無線電力伝送システム。
7. 前記送電側は、給電ステーションであり、前記受電側は、潜水機であり、前記送電器は、前記給電ステーションの上面に配置され、前記受電器は、前記潜水機の底面に配置されるものであることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の水中無線電力伝送システム。
8. 前記送電側は、適宜間隔の壁面を有する給電ステーションであり、前記受電側は、潜水機であり、前記送電器は、前記給電ステーションの壁面内側に少なくとも１つずつ分かれて配置され、前記受電器は、前記潜水機の左右両側の側面に少なくとも１つずつ分かれて配置されるものであることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の水中無線電力伝送システム。
9. 前記送電器および前記受電器は、信号の無線伝送に供されるものであり、前記送電装置および前記受電装置の情報を相互に伝送するものであることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の水中無線電力伝送システム。

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