(57)【要約】【課題】長尺物の継ぎ目で非接触給電を行うことができ、長大な長尺物多段接続体を通しても伝送効率の低下を少なくできる給電装置を提供する。【解決手段】この給電装置１は、給電回路３０を備える長尺物３が多段に接続される長尺物多段接続体を有するものであって、給電回路３０は、他の長尺物３の給電回路３０から非接触受電する受電コイル３１と、給電線路３２と、他の長尺物３の給電回路３０に非接触送電する送電コイル３３と、を備え、複数個の給電回路３０は、周期回路を構成している。【選択図】図１
2018148784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電回路を備える送電器と、給電回路を備える長尺物が多段に接続され前記送電器に接続される長尺物多段接続体と、負荷給電回路を備え前記長尺物多段接続体に接続され負荷に電力を供給する負荷給電器と、を有する給電装置であって、
前記送電回路は、交流電源と、該交流電源に接続される送電回路線路と、該送電回路線路に接続される送電回路コイルと、を備え、
前記給電回路は、前記長尺物の一方の端部に設けられ、該長尺物の該一方の端部に接続される一方側の他の前記長尺物の前記給電回路又は前記送電回路から非接触受電する受電コイルと、該受電コイルに一方の端部が接続される給電線路と、該給電線路の他方の端部に接続され、前記長尺物の他方の端部に設けられ、該長尺物の該他方の端部に接続される他方側の他の前記長尺物の前記給電回路又は前記負荷給電回路に非接触送電する送電コイルと、を備え、
前記負荷給電回路は、負荷給電回路コイルと、該負荷給電回路コイルに接続される負荷給電回路線路と、を備え、
前記送電回路の前記送電回路コイル及び前記送電回路線路と、複数個の前記給電回路と、前記負荷給電回路の前記負荷給電回路コイル及び前記負荷給電回路線路と、は、周期回路を構成していることを特徴とする給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の給電装置において、
前記交流電源の交流電力には前記負荷の制御信号及び／又は検知信号が重畳していることを特徴とする給電装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の給電装置において、
前記給電線路は、前記長尺物の軸方向に延びる第１導体及び第２導体により構成されており、前記受電コイル及び前記送電コイルの各々の両端は、該第１導体及び該第２導体に接続されていることを特徴とする給電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の給電装置において、
前記給電回路は、金属製の長尺物本体の内部に形成されていることを特徴とする給電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の給電装置において、
前記受電コイルは、導電率が前記長尺物本体よりも高い円筒状の第１受電コイル外囲シートに囲まれており、
前記送電コイルは、導電率が前記長尺物本体よりも高い円筒状の第１送電コイル外囲シートに囲まれていることを特徴とする給電装置。
【請求項６】
請求項５に記載の給電装置において、
前記第１受電コイル外囲シート及び第１送電コイル外囲シートは、銅系金属製又はアルミ系金属製であることを特徴とする給電装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の給電装置において、
前記該受電コイルと前記第１受電コイル外囲シートの間には、円筒状の磁性体の第２受電コイル外囲シートが設けられており、
前記該送電コイルと前記第１送電コイル外囲シートの間には、円筒状の磁性体の第２送電コイル外囲シートが設けられていることを特徴とする給電装置。
【請求項８】
請求項７に記載の給電装置において、
前記第２受電コイル外囲シート及び第２送電コイル外囲シートは、フェライト製であることを特徴とする給電装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の給電装置において、
前記給電線路は、シールドケーブルであることを特徴とする給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長大な長尺物多段接続体を通して給電する給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海底科学掘削を行う際、一本１０ｍの鋼鉄製のドリルパイプを幾本も連ね、長大なドリルパイプ多段接続体となる。その継ぎ足し作業は海上に浮かぶ調査船にて行われる。この掘削作業に付随して掘削地点や地層における検知用の各種センサーや撮影用のカメラなどを先端等に取り付けると、一回の掘削作業により大きな成果を得ることができる。しかし、このドリルパイプ多段接続体に取り付ける各種計測器などの機器の動作電力の確保が非常に困難である。
【０００３】
このような機器の動作電力の確保の困難さの主因には、電源から機器までの距離が長いことにある。ドリルパイプの継ぎ目では電線ケーブルを構造上の問題で通常の方法では接続できない。このため、特別な方法が必要である。例えば、特許文献１には、ドリルパイプの一方端に雄ネジと一方の電気接点を形成し、他方端に雌ネジと他方の電気接点を形成し、２本のドリルパイプを雄ネジと雌ネジにより結合すると一方の電気接点と他方の電気接点が接触するような構成が開示されている。なお、１本のドリルパイプの中では、一方の電気接点と他方の電気接点の間は導体で結ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５３１３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、海中のドリルパイプの継ぎ目は、水流等により動き易いものである。そのため、特許文献１に開示された構造のものでは、一方の電気接点と他方の電気接点が安定して接触するようにするのは、困難である。また、電気接点は、海水に直接触れるものであると、腐食し易い。
【０００６】
このようなことから、本願発明者は、ドリルパイプの継ぎ目では非接触(ワイヤレス)給電が望ましいと思料し、鋭意研究し、ドリルパイプの継ぎ目では非接触給電し、しかも、長大なドリルパイプ多段接続体を通しても伝送効率の低下を少なくできる給電装置を案出した。
【０００７】
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドリルパイプなどの長尺物の継ぎ目で非接触給電を行うことができ、ドリルパイプ多段接続体などの長大な長尺物多段接続体を通しても伝送効率の低下を少なくできる給電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の給電装置は、送電回路を備える送電器と、給電回路を備える長尺物が多段に接続され前記送電器に接続される長尺物多段接続体と、負荷給電回路を備え前記長尺物多段接続体に接続され負荷に電力を供給する負荷給電器と、を有する給電装置であって、前記送電回路は、交流電源と、該交流電源に接続される送電回路線路と、該送電回路線路に接続される送電回路コイルと、を備え、前記給電回路は、前記長尺物の一方の端部に設けられ、該長尺物の該一方の端部に接続される一方側の他の前記長尺物の前記給電回路又は前記送電回路から非接触受電する受電コイルと、該受電コイルに一方の端部が接続される給電線路と、該給電線路の他方の端部に接続され、前記長尺物の他方の端部に設けられ、該長尺物の該他方の端部に接続される他方側の他の前記長尺物の前記給電回路又は前記負荷給電回路に非接触送電する送電コイルと、を備え、前記負荷給電回路は、負荷給電回路コイルと、該負荷給電回路コイルに接続される負荷給電回路線路と、を備え、前記送電回路の前記送電回路コイル及び前記送電回路線路と、複数個の前記給電回路と、前記負荷給電回路の前記負荷給電回路コイル及び前記負荷給電回路線路と、は、周期回路を構成していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の給電装置は、請求項１に記載の給電装置において、前記交流電源の交流電力には前記負荷の制御信号及び／又は検知信号が重畳していることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の給電装置は、請求項１又は２に記載の給電装置において、前記給電線路は、前記長尺物の軸方向に延びる第１導体及び第２導体により構成されており、前記受電コイル及び前記送電コイルの各々の両端は、該第１導体及び該第２導体に接続されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の給電装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の給電装置において、前記給電回路は、金属製の長尺物本体の内部に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の給電装置は、請求項４に記載の給電装置において、前記受電コイルは、導電率が前記長尺物本体よりも高い円筒状の第１受電コイル外囲シートに囲まれており、前記送電コイルは、導電率が前記長尺物本体よりも高い円筒状の第１送電コイル外囲シートに囲まれていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の給電装置は、請求項５に記載の給電装置において、前記第１受電コイル外囲シート及び第１送電コイル外囲シートは、銅系金属製又はアルミ系金属製であることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の給電装置は、請求項５又は６に記載の給電装置において、前記該受電コイルと前記第１受電コイル外囲シートの間には、円筒状の磁性体の第２受電コイル外囲シートが設けられており、前記該送電コイルと前記第１送電コイル外囲シートの間には、円筒状の磁性体の第２送電コイル外囲シートが設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の給電装置は、請求項７に記載の給電装置において、前記第２受電コイル外囲シート及び第２送電コイル外囲シートは、フェライト製であることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の給電装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の給電装置において、前記給電線路は、シールドケーブルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の給電装置によれば、ドリルパイプなどの長尺物の継ぎ目で非接触給電（非接触送電及び非接触受電）を行うことができ、ドリルパイプ多段接続体などの長大な長尺物多段接続体を通して伝送効率の低下の少ないものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る給電装置の概略を示す側面視断面図である。
【図２】同上の給電装置の周期回路の回路ブロック図である。
【図３】同上の給電装置の周期回路の単位セルの回路ブロック図である。
【図４】同上の給電装置の長尺物の継ぎ目近傍を拡大して示す断面図であって、（ａ）が側面視断面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａで示す線の位置で切断した平面視断面図である。
【図５】同上の給電装置のシミュレーション結果の特性グラフである。
【図６】同上の給電装置のシミュレーション結果の拡大した特性グラフである。
【図７】同上の給電装置の他のシミュレーション結果の特性グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る給電装置１は、送電回路２０を備える送電器２と、給電回路３０を備える長尺物３が多段に接続された長尺物多段接続体３Ｇと、負荷給電回路４０を備え、負荷５に電力を供給する負荷給電器４と、を有するものである。長尺物多段接続体３Ｇは、一方の端部３Ｇａが送電器２に接続され、他方の端部３Ｇｂが負荷給電器４に接続されている。例えば、給電装置１を海底科学掘削に用いる例では、送電器２は調査船に設置された機器の一つであり、長尺物３はドリルパイプ（長尺物多段接続体３Ｇはドリルパイプ多段接続体）であり、負荷給電器４は、掘削地点や地層における各種計測器などの機器（負荷）５に電力を供給するものである。ここで、長尺物は、ドリルパイプに加え、例えば海底敷設パイプや鉱山分野におけるドリルロッドあるいは掘り管などの動力伝達物を含む。
【００２０】
送電回路２０は、交流電源２１と、交流電源２１に接続される送電回路線路２２と、送電回路線路２２に接続される送電回路コイル２３と、を備えている。交流電源２１の交流電力の周波数は、例えば、０．１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚである。また、この交流電力に、各種計測器などの機器（負荷）５の制御信号及び／又は検知信号（データやコマンドなど）を重畳させることも可能である。
【００２１】
送電回路コイル２３は、通常は、給電回路３０の後述する送電コイル３３と同じ構成及び形状である。また、送電器２において長尺物３と接続される端部２ｂに、送電回路コイル２３が設けられている。その端部２ｂの近傍は、通常は、長尺物３の後述する他方の端部３ｂの近傍と同じ構成及び形状であり、後述する長尺物本体３４の半分の形状（図１において下半分）に対応する送信器接続体２４を有している。その送信器接続体２４は、長尺物本体３４との接続のために、ねじ（本実施形態では雄ねじ）を形成することができる。
【００２２】
給電回路３０は、受電コイル３１と給電線路３２と送電コイル３３とを備えている。
【００２３】
受電コイル３１は、長尺物３の一方の端部（送電器２側の端部）３ａに設けられている。長尺物３の一方の端部３ａには、長尺物３が長尺物多段接続体３Ｇの一方の端部３Ｇａのものでなければ、一方側の他の長尺物３が接続される。その場合、受電コイル３１は、一方側の他の長尺物３の給電回路３０（詳細には、送電コイル３３）から電力を非接触受電する。また、長尺物３の一方の端部３ａには、長尺物３が長尺物多段接続体３Ｇの一方の端部３Ｇａのものならば、送電器２が接続される。その場合、受電コイル３１は、送電回路２０（詳細には、送電回路コイル２３）から電力を非接触受電する。
【００２４】
給電線路３２は、受電コイル３１に一方の端部３２ａが接続され、送電コイル３３に他方の端部３２ｂが接続される。給電線路３２は、一般には、長尺物３の軸方向に延びる第１導体３２Ａ及び第２導体３２Ｂにより構成されており、受電コイル３１及び送電コイル３３の各々の両端は、第１導体３２Ａ及び第２導体３２Ｂに接続されている。また、海底科学掘削に用いる場合のように、長尺物３が、海水に接する場合などでは、その影響を受けないように、給電線路３２は、同軸ケーブルなどのシールドケーブルであるのが好ましい。また、給電線路３２は、通常は、後述する長尺物本体３４の軸方向に溝に形成してそこに埋め込むなどして、長尺物本体３４に固定されている。
【００２５】
送電コイル３３は、長尺物３の他方の端部（負荷５側の端部）３ｂに設けられている。長尺物３の他方の端部３ｂには、長尺物３が長尺物多段接続体３Ｇの他方の端部３Ｇｂのものでなければ、他方側の他の長尺物３が接続される。その場合、送電コイル３３は、他方側の他の長尺物３の給電回路３０（詳細には、受電コイル３１）に電力を非接触送電する。また、長尺物３の他方の端部３ｂには、長尺物３が長尺物多段接続体３Ｇの他方の端部３Ｇｂのものならば、負荷給電器４が接続される。その場合、送電コイル３３は、負荷給電回路４０（詳細には、負荷給電回路コイル４１）に電力を非接触送電する。
【００２６】
長尺物３は、長尺物本体３４を有しており、多くの場合、海底科学掘削に用いる場合のように、金属製である。給電回路３０は、多くの場合、長尺物本体３４の内部に形成されている。長尺物３の一方の端部３ａにおいては、長尺物本体３４に、他の長尺物本体３４（又は送信器接続体２４）との接続のために、ねじ（本実施形態では雌ねじ）を形成することができる。長尺物３の他方の端部３ｂにおいては、長尺物本体３４に、他の長尺物本体３４（又は後述する負荷給電器接続体４４）との接続のために、ねじ（本実施形態では雄ねじ）を形成することができる。また、長尺物本体３４は、海底科学掘削に用いる場合のように、多くの場合、図１（及び後述する図４（ａ）、（ｂ））に示すようにパイプ形状又はチューブ形状であり、中空部３４ａを有している。中空部３４ａには、海水などが流れる。なお、受電コイル３１及び送電コイル３３は、中空部３４ａの周りに巻かれる。また、送信器接続体２４及び負荷給電器接続体４４についても、長尺物本体３４の構造と同様であり、送電回路コイル２３及び後述する負荷給電回路コイル４１は、中空部３４ａと同様な中空部の周りに巻かれる。
【００２７】
なお、受電コイル３１は、絶縁体で囲まれるようにして１個の受電体ユニット３１Ａとすることができる。また、送電コイル３３も、絶縁体で囲まれるようにして１個の送電体ユニット３３Ａとすることができる。また、これらの受電体ユニット３１Ａと送電体ユニット３３Ａを給電線路３２でつないで、防水等を行って全部をユニット化することもできる。また、送電回路コイル２３、負荷給電回路コイル４１についても同様にして１個の送電体ユニット２３Ａ、１個の受電体ユニット４１Ａとすることができる。
【００２８】
負荷給電回路４０は、負荷給電回路コイル４１と、負荷給電回路コイル４１に接続される負荷給電回路線路４２と、を備えている。負荷給電回路線路４２は、負荷５に接続されている。
【００２９】
負荷給電回路コイル４１は、通常は、給電回路３０の受電コイル３１と同じ構成及び形状である。また、負荷給電器４において長尺物３と接続される端部４ａに負荷給電回路コイル４１が設けられている。その端部４ａの近傍は、通常は、長尺物３の一方の端部３ａの近傍と同じ構成及び形状であり、長尺物本体３４の半分の形状（図１において上半分）に対応する負荷給電器接続体４４を有している。その負荷給電器接続体４４は、長尺物本体３４との接続のために、ねじ（本実施形態では雌ねじ）を形成することができる。
【００３０】
このような送電回路２０の送電回路コイル２３及び送電回路線路２２と、複数個の給電回路３０と、負荷給電回路４０の負荷給電回路コイル４１及び負荷給電回路線路４２、は、周期回路１００を構成することができる。この周期回路１００は、図２に示すように、周期回路１００の１周期分を構成する単位セル１０１が多段に接続されたものである。周期回路１００の１周期分の長さｄは、長尺物多段接続体３Ｇを構成したときの長尺物３同士の間のピッチと実質的に同じである。単位セル１０１は、周期回路１００において給電回路３０よりも半周期ずれて区切ったものと見ることもできる（図１において破線で示す単位セル１０１を参照）。
【００３１】
単位セル１０１は、図３に示すように、長尺物３の継ぎ目を中心にして、受電コイル３１と送電コイル３３が配置され、そのそれぞれの外側に半分の給電線路３２’が配置されているものである。図３中のＬ１、Ｒ１は送電コイル３３のインダクタンス成分、抵抗成分であり、Ｌ２、Ｒ２は受電コイル３１のインダクタンス成分、抵抗成分であり、Ｍは相互インダクタンスである。なお、送電器２と長尺物３の継ぎ目、長尺物３と負荷給電器４の継ぎ目を中心としたものも、同じ単位セル１０１が適用される。この場合、送電回路線路２２と負荷給電回路線路４２はそれぞれ、半分の給電線路３２’と実質的に同じ線路とみなすことができる。
【００３２】
周期回路１００を構成するようにし、後述する解析方法及びシミュレーションにより、最適化すると、給電装置１は、長尺物３の継ぎ目で非接触給電（非接触送電及び非接触受電）を行うことができ、長大な長尺物多段接続体３Ｇを通して伝送効率の低下の少ないものとすることができる。
【００３３】
給電装置１の受電コイル３１及び送電コイル３３の周囲の構造の細部について図４（ａ）、（ｂ）を参照して以下説明する。なお、図４（ａ）においては、長尺物本体３４の中空部３４ａの向こうに隠れる線を破線で示している。また、第１導体３２Ａ及び第２導体３２Ｂは、図４（ａ）においては模式的に描き、図４（ｂ）においては省略している。
【００３４】
給電回路３０における受電コイル３１は、円筒状の第１受電コイル外囲シート３５に囲まれており、送電コイル３３は、円筒状の第１送電コイル外囲シート３６に囲まれるようにすることができる。第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６はともに、導電率が長尺物本体３４よりも高いもの（例えば、銅系金属製又はアルミ系金属製など）である。金属製の長尺物本体３４は、通常、鉄系の金属製であるために、受電コイル３１と送電コイル３３の磁気が及ぶと電流が流れて損失が生じるが、第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６は、長尺物本体３４により損失が生じるのを抑止することが可能である。
【００３５】
更には、受電コイル３１と第１受電コイル外囲シート３５の間には、円筒状の第２受電コイル外囲シート３７が設けられており、送電コイル３３と第１送電コイル外囲シート３６の間には、円筒状の第２送電コイル外囲シート３８が設けられているようにすることができる。第２受電コイル外囲シート３７と第２送電コイル外囲シート３８はともに、磁性体（例えば、フェライト製など）である。第２受電コイル外囲シート３７と第２送電コイル外囲シート３８は、第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６を設けたことによる特性の変動を少なくすることが可能である。
【００３６】
なお、受電コイル３１、第１受電コイル外囲シート３５、第２受電コイル外囲シート３７は、絶縁体を介して配置し上述した１個の受電体ユニット３１Ａの中に含めることができる。送電コイル３３、第１送電コイル外囲シート３６、第２送電コイル外囲シート３８は、絶縁体を介して配置し上述した１個の送電体ユニット３３Ａの中に含めることができる。また、送電回路コイル２３についても、第１送電コイル外囲シート３６、第２送電コイル外囲シート３８と同様なものを設けることができ、更に、それらを１個の送電体ユニット２３Ａの中に含めることができる。負荷給電回路コイル４１についても、第１受電コイル外囲シート３５、第２受電コイル外囲シート３７と同様なものを設けることができ、更に、それらを１個の受電体ユニット４１Ａの中に含めることができる。
【００３７】
次に、周期回路１００の基本の解析方法について説明する。先ず、周期回路１００の伝搬定数γを求める方法を説明し、その後、周期回路１００のブロッホインピーダンスを求める方法を説明し、その後、周期回路１００の伝送効率ηを求める方法を説明する。
【００３８】
図３に示す単位セル１０１において、半分の給電線路３２’を除いた場合の入出力間の関係を表すＺ行列は、一般的に下記の（１）式で示される。
【００３９】
【数１】
2018148784.tif 000003
【００４０】
単位セル１０１は、不連続部（継ぎ目）に対して対称的であるので、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌとすることができ、また、周期回路１００は、回路の縦続接続のものであるので、（１）式で表されるＺ行列は、簡単化され、回路の縦続接続の場合の計算がし易い、下記の（２）式で示すＦ行列に変換することができる。
【００４１】
【数２】
2018148784.tif 000004
【００４２】
ここで、各成分Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの上に付けられた横棒は、給電線路３２の特性アドミタンスＹ０で規格化されていることを意味している。特性アドミタンスＹ０と特性インピーダンスＺ０は、Ｙ０＝１／Ｚ０の関係である。これを基に、１周期分のＦ行列を計算するため、図３で示した不連続部の両側に半分の給電線路３２’が接続されているものとすると、次の（３）式が導かれる。
【００４３】
【数３】
2018148784.tif 000005
【００４４】
ここで、θは移相量であり、θ＝ｋ０ｄ  （ｋ０は給電線路３２の伝搬定数、ｄは上記の１周期の長さ）である。ｘ’１とｘ’２は、（４）式の通りである。
【００４５】
【数４】
2018148784.tif 000006
【００４６】
１個の単位セル１０１ｎの入力と次段の単位セル１０１ｎ＋１の入力（単位セル１０１ｎの出力）との間には、以下の（５）式が成り立つ。
【００４７】
【数５】
2018148784.tif 000007
【００４８】
ここで、伝搬解の存在のためには、以下の（６）式が成り立たなければならない。
【００４９】
【数６】
2018148784.tif 000008
【００５０】
γは広義の伝搬定数であり、ｄは上記の１周期の長さである。（６）式を（４）式に代入すると、以下の（７）式が導かれる。
【００５１】
【数７】
2018148784.tif 000009
【００５２】
この（７）式が解を持つためには、係数行列式を０とする必要があるので、以下の（８）式が導かれる。
【００５３】
【数８】
2018148784.tif 000010
【００５４】
次の（８’）式で示す相反性の条件と（３）式の各成分を代入すると、下記の（９）式が導かれる。
【００５５】
【数９】
2018148784.tif 000011
【００５６】
ここで、γ＝α＋ｊβとして（９）式を展開すると、以下の（１０）式が導かれる。
【００５７】
【数１０】
2018148784.tif 000012
【００５８】
更に、α＜＜βを利用して、式（９）を実部と虚部に分けることにより、以下の式（１１）と式（１２）が導かれる。
【００５９】
【数１１】
2018148784.tif 000013
【００６０】
【数１２】
2018148784.tif 000014
【００６１】
このようにして、α、βを独立に表現することができる。なお、（１１）式と（１２）式は、１周期の長さｄにより規格化している。
【００６２】
次に、周期回路の特性インピーダンスであるブロッホインピーダンスを求める。
【００６３】
（７）式より、電圧と電流の比を以下の（１３）式のように計算すると、ブロッホインピーダンスが求められる。
【００６４】
【数１３】
2018148784.tif 000015
【００６５】
（１３）式より、γｄが以下の（１４）式のように求まる。
【００６６】
【数１４】
2018148784.tif 000016
【００６７】
（１４）式を（１３）式に代入すると、以下の（１５）式が導かれる。
【００６８】
【数１５】
2018148784.tif 000017
【００６９】
（１５）式で示されるブロッホインピーダンスは、＋方向／−方向に伝搬する波動の特性インピーダンスである。周期回路１００は対称的であるとすることができるので、（１５’）式が成立し、また、（８’）式に示した相反性により、以下の（１６）式のようにブロッホインピーダンスは簡単化される。
【００７０】
【数１６】
2018148784.tif 000018
【００７１】
ブロッホインピーダンスは、この（１６）式のようには簡単化され、これに（３）式で得られた値を代入すればよい。
【００７２】
次に、周期回路１００の伝送効率ηを求める。
【００７３】
単位セル１０１ｎの入力側の節点における電圧電流は、以下の（１７）式で表される。なお、（１７）式におけるＡ、Ｂは、これまでに用いてきたＡ、Ｂとは異なるものである。ここでは、入射波／反射波の振幅は、習慣的に記号Ａ、Ｂで表されるので、これを用いた。
【００７４】
【数１７】
2018148784.tif 000019
【００７５】
（１７）式におけるγ、ＺＢは、上述したようにして求まる伝搬定数、ブロッホインピーダンスである。周期回路１００の始端、終端でそれぞれ、ｎ＝０、Ｎ＝１００を（１７）式に代入すると、（１８）式と（１８’）式に示すように、始端における電圧Ｖ０と電流Ｉ０、終端における電圧ＶＮと電流ＩＮが求まる。更に、始端には電圧源Ｅ、終端には負荷インピーダンスＺＬが接続されているので、（１８’’）式が成立する。
【００７６】
【数１８】
2018148784.tif 000020
【００７７】
これからＶ０、ＶＮ、Ｉ０、ＩＮを消去すると、以下の、（１９）式が導かれる。
【００７８】
【数１９】
2018148784.tif 000021
【００７９】
そして、（１９）式を（１７）式に代入すれば、各節点における電圧電流は、以下の（２０）式に示すように求まる。
【００８０】
【数２０】
2018148784.tif 000022
【００８１】
任意の節点ｎにおける負荷側を見たインピーダンスは、ＶｎをＩｎで割ることにより、以下の（２１）式で与えられる。
【００８２】
【数２１】
2018148784.tif 000023
【００８３】
そして、伝送効率ηは、（２０）式を用いて、以下の（２２）式で与えられる。
【００８４】
【数２２】
2018148784.tif 000024
【００８５】
次に、電磁界シミュレーターを用いてシミュレーションを行った結果について述べる。
【００８６】
長尺物本体３４は、比誘電率が１、比透磁率が４０００、導電率が１．０３ｅ７［Ｓ／ｍ］の鉄製のパイプ形状とし、長さが１０ｍ、外径が１３５ｍｍ、内径が１１４ｍｍ、厚さが１０．６ｍｍとした。送電回路コイル２３、受電コイル３１、送電コイル３３、負荷給電回路コイル４１は、全て２重巻きとし、外側コイル直径が８７．２ｍｍ、内側コイル直径が８３．２ｍｍ、外側コイルと内側コイルのギャップが２ｍｍ、外側コイルと内側コイルはそれぞれ、ピッチが１．５ｍｍ、巻き数が１０ターンとした。第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６は、比誘電率が１、比透磁率が０．９９９９９１、導電率が５８ｅ６［Ｓ／ｍ］の銅製とし、外径が１１０ｍｍ、内径が１０９．４ｍｍ、厚さが０．３ｍｍとした。第２受電コイル外囲シート３７と第２送電コイル外囲シート３８は、比誘電率が１５、比透磁率が５００、導電率が０．０１［Ｓ／ｍ］、ｔａｎδが０．５のフェライトシートとし、外径が１０８．８ｍｍ、内径が１０８．２ｍｍ、厚さが０．３ｍｍとした。海水は、比誘電率が８１、比透磁率が０．９９９９１、導電率が４［Ｓ／ｍ］とし、直径が７６．２２ｍｍとした。この長尺物３を１００個接続して、長尺物多段接続体３Ｇを総長１ｋｍのものとした。
【００８７】
図５に伝送効率ηのシミュレーション結果を示す。また、図６に縦軸を−３０ｄＢ〜０ｄＢに拡大した伝送効率ηのシミュレーション結果を示す。図中、曲線ａは、空気中でのもの（長尺物本体３４、第１受電コイル外囲シート３５、第１送電コイル外囲シート３６、第２受電コイル外囲シート３７、第２送電コイル外囲シート３８を省いたもの）を示しており、最大の伝送効率ηは−７ｄＢである。図中、曲線ｂは、曲線ａの条件から長尺物本体３４を加えたものを示しており、最大の伝送効率ηは−３３０ｄＢである。図中、曲線ｃは、曲線ｂの条件から第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６を加えたものを示しており、最大の伝送効率ηは−５０ｄＢである。図中、曲線ｄは、曲線ｃの条件から第２受電コイル外囲シート３７と第２送電コイル外囲シート３８を加えたものを示しており、最大の伝送効率ηは−１５ｄＢである。図中、曲線ｅは、曲線ｄの条件から海水を加えたものを示しており、最大の伝送効率ηは−２０ｄＢである。
【００８８】
曲線ａと曲線ｂを比較すると、長尺物本体３４が有ると、急激に伝送効率が低下することが分かる。曲線ｂと曲線ｃを比較すると、長尺物本体３４が有っても、第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６を加えると、伝送効率の低下が少なくなることが分かる。曲線ｂと曲線ｄを比較すると、長尺物本体３４が有っても、第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６、更に、第２受電コイル外囲シート３７と第２送電コイル外囲シート３８を加えると、伝送効率の低下が更に少なくなることが分かる。曲線ｄと曲線ｅを比較すると、長尺物本体３４が有り、海水が有っても、第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６、更に、第２受電コイル外囲シート３７と第２送電コイル外囲シート３８を加えると、伝送効率ηの低下が少ないものとすることができるが分かる。このように、周期回路１００を構成するようにし、上述した解析方法及びシミュレーションにより、最適化すると、給電装置１を伝送効率ηの低下が少ないものとすることができる。
【００８９】
次に、交流電力に、制御信号及び／又は検知信号（データやコマンドなど）を重畳させることが可能であることを示すためのシミュレーションについて述べる。
【００９０】
長尺物本体３４は、上記のシミュレーションと同じものとした。送電回路コイル２３、受電コイル３１、送電コイル３３、負荷給電回路コイル４１は、全て、上記のシミュレーションと同じピッチ、巻き数の２重巻きとし、外側コイル直径が１０８．６ｍｍ、内側コイル直径が１０２．６ｍｍとした。第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６は、上記のシミュレーションと同じ比誘電率、比透磁率、導電率の銅製とし、厚さが０．１ｍｍとした。第２受電コイル外囲シート３７と第２送電コイル外囲シート３８は、比誘電率が１、比透磁率が１３０、ｔａｎδが０．０１のフェライトシートとし、厚さが０．１ｍｍとした。海水は、上記のシミュレーションと同じ比誘電率、比透磁率、導電率とした。長尺物多段接続体３Ｇにおける長尺物３の数は、上記のシミュレーションと同じである。このように上記のシミュレーションと大部分は条件を同じにして、シミュレーション結果を比較できるようにしている。
【００９１】
図７に伝送効率ηのシミュレーション結果を示す。図中、曲線ｆは、長尺物本体３４、送電回路コイル２３、受電コイル３１、送電コイル３３、負荷給電回路コイル４１、第１受電コイル外囲シート３５、第１送電コイル外囲シート３６、第２受電コイル外囲シート３７、第２送電コイル外囲シート３８を全て備えるものを示しており、周波数が１０．３８ＭＨｚで伝送効率ηが最大の−６６ｄＢとなる。このことは、制御信号及び／又は検知信号の周波数を１０．３８ＭＨｚ近傍とし、交流電力の周波数を上記のシミュレーション結果より１ＭＨｚ近傍とすれば、制御信号及び／又は検知信号を交流電力に重畳することが可能であることを示している。なお、制御信号及び／又は検知信号の周波数は、１０．３８ＭＨｚ近傍に限らず、ある程度の伝送効率ηが得られるならば、他の周波数（例えば、５ＭＨｚから６ＭＨｚの間の周波数や２０ＭＨｚ以上の周波数など）とすることも可能である。
【００９２】
以上、本発明の実施形態に係る給電装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、第１受電コイル外囲シート３５と第１送電コイル外囲シート３６、更に、第２受電コイル外囲シート３７と第２送電コイル外囲シート３８を加えて給電装置１を伝送効率ηの低下が少ないものとしたが、周期回路１００を上述した解析方法及びシミュレーションに基づき、更に、寸法又は定数の変更や他の追加手段などにより最適化することも可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１    給電装置
２    送電器
２ｂ  送電器の端部
２０  送電回路
２１  交流電源
２２  送電回路線路
２３  送電回路コイル
２４  送信器接続体
３    長尺物
３ａ  長尺物の一方の端部
３ｂ  長尺物の他方の端部
３０  給電回路
３１  受電コイル
３１Ａ  受電体ユニット
３２  給電線路
３２ａ  給電線路の一方の端部
３２ｂ  給電線路の他方の端部
３２Ａ  第１導体
３２Ｂ  第２導体
３２’  半分の給電線路
３３  送電コイル
３３Ａ  送電体ユニット
３４  長尺物本体
３４ａ  長尺物本体の中空部
３５  第１受電コイル外囲シート
３６  第１送電コイル外囲シート
３７  第２受電コイル外囲シート
３８  第２送電コイル外囲シート
３Ｇ  長尺物多段接続体
３Ｇａ  長尺物多段接続体の一方の端部
３Ｇｂ  長尺物多段接続体の他方の端部
４    負荷給電器
４ａ  負荷給電器の端部
４０  負荷給電回路
４１  負荷給電回路コイル
４２  負荷給電回路線路
４４  負荷給電器接続体
５    負荷
１００  周期回路
１０１  周期回路の単位セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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